什么是JVM

JVM 是可運行 Java 代碼的假想計算機 ，包括一套字節(jié)碼指令集、一組寄存器、一個棧、一個垃圾回收，堆 和 一個存儲方法域。JVM 是運行在操作系統(tǒng)之上的，它與硬件沒有直接的交互。

線程

這里所說的線程指程序執(zhí)行過程中的一個線程實體。JVM 允許一個應用并發(fā)執(zhí)行多個線程 。Hotspot JVM 中的 Java 線程與原生操作系統(tǒng)線程有直接的映射關(guān)系。當線程本地存儲、緩沖區(qū)分配、同步對象、棧、程序計數(shù)器等準備好以后，就會創(chuàng)建一個操作系統(tǒng)原生線程。Java 線程結(jié)束，原生線程隨之被回收。操作系統(tǒng)負責調(diào)度所有線程，并把它們分配到任何可用的 CPU 上。當原生線程初始化完畢，就會調(diào)用 Java 線程的 run() 方法。當線程結(jié)束時，會釋放原生線程和 Java 線程的所有資源。

• Hotspot JVM 后臺運行的系統(tǒng)線程主要有下面幾個：

• 虛擬機線程:這個線程等待 JVM 到達安全點操作出現(xiàn)。這些操作必須要在獨立的線程里執(zhí)行，因為當堆修改無法進行時，線程都需要 JVM位于安全點。這些操作的類型有：stop-the-world 垃圾回收、線程棧dump、線程暫停、線程偏向鎖（biased  locking）解除。

• 周期性任務線程:這線程負責定時器事件（也就是中斷），用來調(diào)度周期性操作的執(zhí)行。

• GC 線程  :這些線程支持 JVM 中不同的垃圾回收活動。

• 編譯器線程:這些線程在運行時將字節(jié)碼動態(tài)編譯成本地平臺相關(guān)的機器碼。

• 信號分發(fā)線程:這個線程接收發(fā)送到 JVM 的信號并調(diào)用適當?shù)?JVM 方法處理。

JVM內(nèi)存區(qū)域

• JVM 內(nèi)存區(qū)域主要分為線程私有區(qū)域【程序計數(shù)器、虛擬機棧、本地方法區(qū)】、線程共享區(qū)域【JAVA 堆、方法區(qū)】、直接內(nèi)存。
  -線程私有數(shù)據(jù)區(qū)域生命周期與線程相同, 依賴用戶線程的啟動/結(jié)束 而 創(chuàng)建/銷毀(在 HotspotVM 內(nèi), 每個線程都與操作系統(tǒng)的本地線程直接映射, 因此這部分內(nèi)存區(qū)域的存/否跟隨本地線程的生/死對應)。

• 線程共享區(qū)域隨虛擬機的啟動/關(guān)閉而創(chuàng)建/銷毀。

程序計數(shù)器( 線程私有）

• 一塊較小的內(nèi)存空間, 是當前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器，每條線程都要有一個獨立的程序計數(shù)器，這類內(nèi)存也稱為“線程私有”的內(nèi)存。

• 正在執(zhí)行 java 方法的話，計數(shù)器記錄的是虛擬機字節(jié)碼指令的地址（當前指令的地址）。如果還是 Native 方法，則為空。

• 這個內(nèi)存區(qū)域是唯一一個在虛擬機中沒有規(guī)定任OutOfMemoryError 情況的區(qū)域。

JAVA虛擬機棧( 線程私有)

• 是描述java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型，每個方法在執(zhí)行的同時都會創(chuàng)建一個棧幀（Stack Frame）用于存儲局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息。每一個方法從調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就對應著一個棧幀在虛擬機棧中入棧到出棧的過程。

• 棧幀（ Frame）是用來存儲數(shù)據(jù)和部分過程結(jié)果的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時也被用來處理動態(tài)鏈接(Dynamic Linking)、 方法返回值和異常分派（ Dispatch Exception）。棧幀隨著方法調(diào)用而創(chuàng)建，隨著方法結(jié)束而銷毀——無論方法是正常完成還是異常完成（拋出了在方法內(nèi)未被捕獲的異常）都算作方法結(jié)束。
  

  

本地方法區(qū)(線程私有）

• 本地方法區(qū)和 Java Stack 作用類似, 區(qū)別是虛擬機棧為執(zhí)行 Java 方法服務, 而本地方法棧則為Native 方法服務, 如果一個 VM 實現(xiàn)使用 C-linkage 模型來支持 Native 調(diào)用, 那么該棧將會是一個C 棧，但 HotSpot VM 直接就把本地方法棧和虛擬機棧合二為一。

堆（Heap- 線程共享）運行時數(shù)據(jù)區(qū)

• 是被線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，創(chuàng)建的對象和數(shù)組都保存在 Java 堆內(nèi)存中，也是垃圾收集器進行垃圾收集的最重要的內(nèi)存區(qū)域。由于現(xiàn)代 VM 采用分代收集算法, 因此 Java 堆從 GC 的角度還可以細分為: 新生代( Eden 區(qū) 、 From Survivor 區(qū) 和 To Survivor 區(qū) )和老年代(jdk1.7)。

方法區(qū)/ 永久代 （線程共享）

• 即我們常說的永久代(Permanent Generation), 用于存儲被 JVM 加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù). HotSpot VM把GC分代收集擴展至方法區(qū), 即使用Java堆的永久代來實現(xiàn)方法區(qū), 這樣 HotSpot 的垃圾收集器就可以像管理 Java 堆一樣管理這部分內(nèi)存,而不必為方法區(qū)開發(fā)專門的內(nèi)存管理器(永久帶的內(nèi)存回收的主要目標是針對常量池的回收和類型的卸載, 因此收益一般很小)。

運行時常量池

• （Runtime Constant Pool）是方法區(qū)的一部分。Class 文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，還有一項信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分內(nèi)容將在類加載后存放到方法區(qū)的運行時常量池中。Java 虛擬機對 Class 文件的每一部分（自然也包括常量池）的格式都有嚴格的規(guī)定，每一個字節(jié)用于存儲哪種數(shù)據(jù)都必須符合規(guī)范上的要求，這樣才會被虛擬機認可、裝載和執(zhí)行。

直接內(nèi)存

• 直接內(nèi)存并不是 JVM 運行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分, 但也會被頻繁的使用: 在 JDK 1.4 引入的 NIO 提供了基于 Channel 與 Buffer 的 IO 方式, 它可以使用 Native 函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存, 然后使用DirectByteBuffer 對象作為這塊內(nèi)存的引用進行操作， 這樣就避免了在 Java堆和 Native 堆中來回復制數(shù)據(jù), 因此在一些場景中可以顯著提高性能。

JVM運行時內(nèi)存(jdk1.7)

• Java 堆從 GC 的角度還可以細分為: 新生代( Eden 區(qū) 、 From Survivor 區(qū) 和 To Survivor 區(qū) )和老年代
  

  

新生代

是用來存放新生的對象。一般占據(jù)堆的1/3空間。由于頻繁創(chuàng)建對象，所以新生代會頻繁觸發(fā)MinorGC 進行垃圾回收。新生代又分為 Eden 區(qū)、ServivorFrom、ServivorTo 三個區(qū)。

• Eden區(qū)：Java新對象的出生地（如果新創(chuàng)建的對象占用內(nèi)存很大，則直接分配到老年代）。當Eden區(qū)內(nèi)存不夠的時候就會觸發(fā)MinorGC，對新生代區(qū)進行一次垃圾回收。

• ServivorFrom：上一次 GC 的幸存者，作為這一次 GC 的被掃描者。

• ServivorTo：保留了一次 MinorGC 過程中的幸存者。

• MinorGC 的過程：（復制->清空->互換）MinorGC 采用復制算法。

• eden 、 servicorFrom  復制到 ServicorTo，年齡+1
      首先，把 Eden和 ServivorFrom區(qū)域中存活的對象復制到 ServicorTo區(qū)域（如果有對象的年齡以及達到了老年的(默認15歲，可以通過-XXMaxTenuringThreshold設(shè)置)，則賦值到老年代區(qū)），同時把這些對象的年齡+1（如果 ServicorTo 不夠位置了就放到老年區(qū)）。

• 清空 eden 、 servicorFrom**
     清空 Eden 和 ServicorFrom 中的對象；

• ServicorTo 和 ServicorFrom 互換
     最后，ServicorTo 和 ServicorFrom 互換，原 ServicorTo 成為下一次 GC 時的 ServicorFrom區(qū)。

老年代

• 主要存放應用程序中生命周期長的內(nèi)存對象。

• 老年代的對象比較穩(wěn)定，所以 MajorGC 不會頻繁執(zhí)行。在進行 MajorGC 前一般都先進行了一次 MinorGC，使得有新生代的對象晉身入老年代，導致空間不夠用時才觸發(fā)。當無法找到足夠大的連續(xù)空間分配給新創(chuàng)建的較大對象時也會提前觸發(fā)一次 MajorGC 進行垃圾回收騰出空間。

• MajorGC 采用標記清除算法：首先掃描一次所有老年代，標記出存活的對象，然后回收沒有標記的對象。MajorGC 的耗時比較長，因為要掃描再回收。MajorGC 會產(chǎn)生內(nèi)存碎片，為了減少內(nèi)存損耗，我們一般需要進行合并或者標記出來方便下次直接分配。當老年代也滿了裝不下的時候，就會拋出 OOM（Out of Memory）異常。

永久代

-指內(nèi)存的永久保存區(qū)域，主要存放 Class 和 Meta（元數(shù)據(jù)）的信息,Class 在被加載的時候被放入永久區(qū)域，它和和存放實例的區(qū)域不同,GC 不會在主程序運行期對永久區(qū)域進行清理。所以這也導致了永久代的區(qū)域會隨著加載的 Class 的增多而脹滿，最終拋出 OOM 異常。

JAVA8 與元數(shù)據(jù)

在Java8中，永久代已經(jīng)被移除，被一個稱為“元數(shù)據(jù)區(qū)”（元空間）的區(qū)域所取代。元空間的本質(zhì)和永久代類似，元空間與永久代之間最大的區(qū)別在于：元空間并不在虛擬機中，而是使用本地內(nèi)存。因此，默認情況下，元空間的大小僅受本地內(nèi)存限制。類的元數(shù)據(jù)放入 nativememory, 字符串池和類的靜態(tài)變量放入 java 堆中，這樣可以加載多少類的元數(shù)據(jù)就不再由MaxPermSize 控制, 而由系統(tǒng)的實際可用空間來控制。

垃圾回收與算法

如何確定垃圾

引用計數(shù)法

• 在 Java 中，引用和對象是有關(guān)聯(lián)的。如果要操作對象則必須用引用進行。因此，很顯然一個簡單的辦法是通過引用計數(shù)來判斷一個對象是否可以回收。簡單說，即一個對象如果沒有任何與之關(guān)聯(lián)的引用，即他們的引用計數(shù)都不為 0，則說明對象不太可能再被用到，那么這個對象就是可回收對象。

可達性分析

• 為了解決引用計數(shù)法的循環(huán)引用問題，Java 使用了可達性分析的方法。通過一系列的“GC roots”對象作為起點搜索。如果在“GC roots”和一個對象之間沒有可達路徑，則稱該對象是不可達的。要注意的是，不可達對象不等價于可回收對象，不可達對象變?yōu)榭苫厥諏ο笾辽僖?jīng)過兩次標記過程。兩次標記后仍然是可回收對象，則將面臨回收。

標記清除算法（ Mark-Sweep ）

24. 最基礎(chǔ)的垃圾回收算法，分為兩個階段，標注和清除。標記階段標記出所有需要回收的對象，清除階段回收被標記的對象所占用的空間。如圖
    

    

    
    從圖中我們就可以發(fā)現(xiàn)，該算法最大的問題是內(nèi)存碎片化嚴重，后續(xù)可能發(fā)生大對象不能找到可利用空間的問題。

復制算法（copying ）

• 為了解決 Mark-Sweep 算法內(nèi)存碎片化的缺陷而被提出的算法。按內(nèi)存容量將內(nèi)存劃分為等大小的兩塊。每次只使用其中一塊，當這一塊內(nèi)存滿后將尚存活的對象復制到另一塊上去，把已使用的內(nèi)存清掉，如圖：
  

  

  
  這種算法雖然實現(xiàn)簡單，內(nèi)存效率高，不易產(chǎn)生碎片，但是最大的問題是可用內(nèi)存被壓縮到了原本的一半。且存活對象增多的話，Copying 算法的效率會大大降低。

標記整理算法(Mark-Compact)

結(jié)合了以上兩個算法，為了避免缺陷而提出。標記階段和 Mark-Sweep 算法相同，標記后不是清理對象，而是將存活對象移向內(nèi)存的一端。然后清除端邊界外的對象。如圖：

分代收集算法

• 分代收集法是目前大部分 JVM 所采用的方法，其核心思想是根據(jù)對象存活的不同生命周期將內(nèi)存劃分為不同的域，一般情況下將 GC 堆劃分為老生代(Tenured/Old Generation)和新生(YoungGeneration)。老生代的特點是每次垃圾回收時只有少量對象需要被回收，新生代的特點是每次垃圾回收時都有大量垃圾需要被回收，因此可以根據(jù)不同區(qū)域選擇不同的算法。

新生代與復制算法

• 目前大部分 JVM 的 GC 對于新生代都采取 Copying 算法，因為新生代中每次垃圾回收都要回收大部分對象，即要復制的操作比較少，但通常并不是按照 1：1 來劃分新生代。一般將新生代劃分為一塊較大的 Eden 空間和兩個較小的 Survivor 空間(From Space, To Space)，每次使用Eden 空間和其中的一塊 Survivor 空間，當進行回收時，將該兩塊空間中還存活的對象復制到另一塊 Survivor 空間中。
  

  

老年代與標記復制算法

而老年代因為每次只回收少量對象，因而采用 Mark-Compact 算法。

• JAVA 虛擬機提到過的處于方法區(qū)的永生代(Permanet Generation)，它用來存儲 class 類，常量，方法描述等。對永生代的回收主要包括廢棄常量和無用的類。

• 對象的內(nèi)存分配主要在新生代的 Eden Space 和 Survivor Space 的 From Space(Survivor 目前存放對象的那一塊)，少數(shù)情況會直接分配到老生代。

• 當新生代的 Eden Space 和 From Space 空間不足時就會發(fā)生一次 GC，進行 GC 后，EdenSpace 和 From Space 區(qū)的存活對象會被挪到 To Space，然后將 Eden Space 和 FromSpace 進行清理。

• 如果 To Space 無法足夠存儲某個對象，則將這個對象存儲到老生代。

• 在進行 GC 后，使用的便是 Eden Space 和 To Space 了，如此反復循環(huán)。

• 當對象在 Survivor 區(qū)躲過一次 GC 后，其年齡就會+1。默認情況下年齡到達 15 的對象會被移到老生代中。

GC  分代收集算法 VS  分區(qū)收集算法

分代收集算法

當前主流 JVM 垃圾收集都采用”分代收集”(Generational Collection)算法, 這種算法會根據(jù)對象存活周期的不同將內(nèi)存劃分為幾塊, 如 JVM 中的 新生代、老年代、永久代，這樣就可以根據(jù)各年代特點分別采用最適當?shù)?GC 算法。

• 在新生代-復制算法      
  每次垃圾收集都能發(fā)現(xiàn)大批對象已死, 只有少量存活. 因此選用復制算法, 只需要付出少量存活對象的復制成本就可以完成收集。

• 在老年代-標記整理算法
  因為對象存活率高、沒有額外空間對它進行分配擔保, 就必須采用“標記—清理”或“標記—整理”算法來進行回收, 不必進行內(nèi)存復制, 且直接騰出空閑內(nèi)存。

分區(qū)收集算法

分區(qū)算法則將整個堆空間劃分為連續(xù)的不同小區(qū)間, 每個小區(qū)間獨立使用, 獨立回收. 這樣做的好處是可以控制一次回收多少個小區(qū)間 , 根據(jù)目標停頓時間, 每次合理地回收若干個小區(qū)間(而不是整個堆), 從而減少一次 GC 所產(chǎn)生的停頓。

GC 垃圾收集器

Java 堆內(nèi)存被劃分為新生代和年老代兩部分，新生代主要使用復制和標記-清除垃圾回收 算法 ,年老代主要使用標記-整理垃圾回收算法，因此 java 虛擬中針對新生代和年老代分別提供了多種不同的垃圾收集器，JDK1.6 中 Sun HotSpot 虛擬機的垃圾收集器如下：

Serial  垃圾收集器 （單線程、 復制算法 ）

• Serial（英文連續(xù)）是最基本垃圾收集器，使用復制算法，曾經(jīng)是JDK1.3.1之前新生代唯一的垃圾收集器。Serial 是一個單線程的收集器，它不但只會使用一個 CPU 或一條線程去完成垃圾收集工作，并且在進行垃圾收集的同時，必須暫停其他所有的工作線程，直到垃圾收集結(jié)束。Serial 垃圾收集器雖然在收集垃圾過程中需要暫停所有其他的工作線程，但是它簡單高效，對于限定單個 CPU 環(huán)境來說，沒有線程交互的開銷，可以獲得最高的單線程垃圾收集效率，因此 Serial垃圾收集器依然是 java 虛擬機運行在 Client 模式下默認的新生代垃圾收集器。

ParNew  垃圾收集器 （Serial+ 多線程 ）

• ParNew 垃圾收集器其實是 Serial 收集器的多線程版本，也使用復制算法，除了使用多線程進行垃圾收集之外，其余的行為和 Serial 收集器完全一樣，ParNew 垃圾收集器在垃圾收集過程中同樣也要暫停所有其他的工作線程。ParNew 收集器默認開啟和 CPU 數(shù)目相同的線程數(shù)，可以通過-XX:ParallelGCThreads 參數(shù)來限制垃圾收集器的線程數(shù)。【Parallel：平行的】ParNew雖然是除了多線程外和Serial收集器幾乎完全一樣，但是ParNew垃圾收集器是很多java虛擬機運行在 Server 模式下新生代的默認垃圾收集器。

Parallel Scavenge  收集器 （多線程復制算法、高效）

• Parallel Scavenge 收集器也是一個新生代垃圾收集器，同樣使用復制算法，也是一個多線程的垃圾收集器，它重點關(guān)注的是程序達到一個可控制的吞吐量（Thoughput，CPU 用于運行用戶代碼的時間/CPU 總消耗時間，即吞吐量=運行用戶代碼時間/(運行用戶代碼時間+垃圾收集時間)），高吞吐量可以最高效率地利用 CPU 時間，盡快地完成程序的運算任務，主要適用于在后臺運算而不需要太多交互的任務。自適應調(diào)節(jié)策略也是 ParallelScavenge 收集器與 ParNew 收集器的一個重要區(qū)別。

Serial Old  收集器 (單線程標記整理算法）

Serial Old 是 Serial 垃圾收集器年老代版本，它同樣是個單線程的收集器，使用標記-整理算法，這個收集器也主要是運行在 Client 默認的 java 虛擬機默認的年老代垃圾收集器。在 Server 模式下，主要有兩個用途：
   1. 在 JDK1.5 之前版本中與新生代的 Parallel Scavenge 收集器搭配使用。
   2. 作為年老代中使用 CMS 收集器的后備垃圾收集方案。
新生代 Serial 與年老代 Serial Old 搭配垃圾收集過程圖：

Parallel Old  收集器（多線程標記整理算法）

Parallel Old收集器是Parallel Scavenge的年老代版本，使用多線程的標記-整理算法，在JDK1.6才開始提供。在 JDK1.6 之前，新生代使用 ParallelScavenge 收集器只能搭配年老代的 Serial Old 收集器，只能保證新生代的吞吐量優(yōu)先，無法保證整體的吞吐量，Parallel Old 正是為了在年老代同樣提供吞吐量優(yōu)先的垃圾收集器，如果系統(tǒng)對吞吐量要求比較高，可以優(yōu)先考慮新生代 Parallel Scavenge和年老代 Parallel Old 收集器的搭配策略。新生代 Parallel Scavenge 和年老代 Parallel Old 收集器搭配運行過程圖：

CMS  收集器 （多線程標記清除算法）

Concurrent mark sweep(CMS)收集器是一種年老代垃圾收集器，其最主要目標是獲取最短垃圾回收停頓時間，和其他年老代使用標記-整理算法不同，它使用多線程的標記-清除算法。最短的垃圾收集停頓時間可以為交互比較高的程序提高用戶體驗。CMS 工作機制相比其他的垃圾收集器來說更復雜，整個過程分為以下 4 個階段：
 1.初始標記：只是標記一下 GC Roots 能直接關(guān)聯(lián)的對象，速度很快，仍然需要暫停所有的工作線程。
 2.并發(fā)標記： 進行 GC Roots 跟蹤的過程，和用戶線程一起工作，不需要暫停工作線程。
 3.重新標記： 為了修正在并發(fā)標記期間，因用戶程序繼續(xù)運行而導致標記產(chǎn)生變動的那一部分對象的標記記錄，仍然需要暫停所有的工作線程。
 4.并發(fā)清除： 清除 GC Roots 不可達對象，和用戶線程一起工作，不需要暫停工作線程。由于耗時最長的并
發(fā)標記和并發(fā)清除過程中，垃圾收集線程可以和用戶現(xiàn)在一起并發(fā)工作，所以總體上來看CMS 收集器的內(nèi)存回收和用戶線程是一起并發(fā)地執(zhí)行。

G1  收集器

Garbage first 垃圾收集器是目前垃圾收集器理論發(fā)展的最前沿成果，相比與 CMS 收集器，G1 收
集器兩個最突出的改進是：

1. 基于標記-整理算法，不產(chǎn)生內(nèi)存碎片。

2. 可以非常精確控制停頓時間，在不犧牲吞吐量前提下，實現(xiàn)低停頓垃圾回收。
   G1 收集器避免全區(qū)域垃圾收集，它把堆內(nèi)存劃分為大小固定的幾個獨立區(qū)域，并且跟蹤這些區(qū)域的垃圾收集進度，同時在后臺維護一個優(yōu)先級列表，每次根據(jù)所允許的收集時間，優(yōu)先回收垃圾最多的區(qū)域。區(qū)域劃分和優(yōu)先級區(qū)域回收機制，確保 G1 收集器可以在有限時間獲得最高的垃圾收集效率。