浅谈JVM(下)

Posted 2021-02-20 clover-forever

一：JVM运行时内存
1.1：如何判断一个对象生存状态
1.1.1：引用计数法
在其内部维护着一个计数器，当只要还有对象引用当前对象，计数器就加1，如果不为0，就证明该对象依然存活，如果为0，则证明没有对象引用该对象，那么该对象就是已经死了。但是会存在问题是存在互相引用，但是又是垃圾的对象的情况
1.1.2：可达性分析法
为了解决引用计数法的循环引用问题，Java 使用了可达性分析的方法。通过一系列的“GC roots” 对象作为起点搜索。如果在“GC roots”和一个对象之间没有可达路径，则称该对象是不可达的。 13/04/2018 Page 27 of 283 要注意的是，不可达对象不等价于可回收对象，不可达对象变为可回收对象至少要经过两次标记 过程。两次标记后仍然是可回收对象，则将面临回收。

可以作为GC Roots的包括以下几种：
1：方法区中静态属性引用的对象
2：方法区中常量引用的对象
3：虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
4：本地方法栈中JNI（即一般说的Native方法）引用的对象

1.1.3：如何创建对象
在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存，对象所需内存的大小在类加载后便完全可以确定，创建对象主要有以下两种方式。根据java堆是否规整来决定
1：指针碰撞：如果java堆是绝对规整的，所有用过的内存都放在一边，空闲的内存都放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那么所分配的内存就仅仅只是把那个指针向空闲的那边挪动一段与对象大小相等的距离。
2：空闲列表：如果java堆不是绝对完整的，已经使用的内存和空闲内存相互交错，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个表，记录上哪些内存是可以使用的，哪些是已经被使用过的，咋分配的时候从列表中找到一块足够大的内存划分给对象实例，并更新到列表的记录上。

除了如何划分可用空间之外，还有另外一个需要考虑的问题，就是对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即是是仅仅修改一个指针的位置，在并发情况下，并不是线程安全的。可能会出现给对象A正在分配内存，指针还没有来得及修改，对象B又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。解决这种问题的方案有两种，一种是对分配内存空间的动作进行同步处理----实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性，另一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，成为本地线程分配缓冲。

1.1.4：java四种引用类型
1：强引用：把一个对象赋给一个引用变量，这个引用变量就是一个强引用，当一个对象被强引用变量引用时，他处于可达状态，它是不可能被垃圾回收机制回收的，即使该对象以后永远都不会被用到JVM也不会回收。因此强引用是造成内存泄露主要原因之一
2：软引用：软引用需要使用softReferce类实现，对于只有软引用的对象来说，当系统内存足够时它不会被回收，当系统内存空间不足时才会释放它
3：弱引用：弱引用需要用WeakReference,它比软引用的生命周期更短，只要垃圾回收机制一旦执行，不管JVM内存空间是否足够，总是会回收该对象占用的内存。
4：虚引用：他不能单独使用，必须使用队列联合使用。虚引用的主要作用是跟踪对象被垃圾回收的状态

1.2：垃圾收集算法
1.2.1：标记-清除算法 （Mark-Sweep）
基础的垃圾回收算法，分为两个阶段，标注和清除。标记阶段标记出所有需要回收的对象，清 除阶段回收被标记的对象所占用的空间。如图

从图中我们就可以发现，该算法最大的问题是内存碎片化严重，后续可能发生大对象不能找到可 利用空间的问题。

1.2.2：复制算法 （coping）
为了解决 Mark-Sweep 算法内存碎片化的缺陷而被提出的算法。按内存容量将内存划分为等大小 的两块。每次只使用其中一块，当这一块内存满后将尚存活的对象复制到另一块上去，把已使用 的内存清掉，如

这种算法虽然实现简单，内存效率高，不易产生碎片，但是最大的问题是可用内存被压缩到了原 本的一半。且存活对象增多的话，Copying 算法的效率会大大降低。

1.2.3：标记整理算法 （ Mark-Compact ）
结合了以上两个算法，为了避免缺陷而提出。标记阶段和 Mark-Sweep 算法相同，标记后不是清 理对象，而是将存活对象移向内存的一端。然后清除端边界外的对象。如图：

1.2.4：分代收集算法
分代收集法是目前大部分 JVM 所采用的方法，其核心思想是根据对象存活的不同生命周期将内存 划分为不同的域，一般情况下将 GC 堆划分为老生代(Tenured/Old Generation)和新生代(Young Generation)。老生代的特点是每次垃圾回收时只有少量对象需要被回收，新生代的特点是每次垃 圾回收时都有大量垃圾需要被回收，因此可以根据不同区域选择不同的算法。

1.2.5：新生代与复制算法
目前大部分 JVM 的 GC 对于新生代都采取 Copying 算法，因为新生代中每次垃圾回收都要 回收大部分对象，即要复制的操作比较少，但通常并不是按照 1：1 来划分新生代。一般将新生代 划分为一块较大的 Eden 空间和两个较小的 Survivor 空间(From Space, To Space)，每次使用 Eden 空间和其中的一块 Survivor 空间，当进行回收时，将该两块空间中还存活的对象复制到另 一块 Survivor 空间中。

1.2.6：老年代与标记整理算法
而老年代因为每次只回收少量对象，因而采用 Mark-Compact 算法。
JAVA 虚拟机提到过的处于方法区的永生代(Permanet Generation)，它用来存储 class 类， 常量，方法描述等。对永生代的回收主要包括废弃常量和无用的类。 在Java8这一块被命名为元空间，并且元空间在本地内存中，并不在虚拟机中。
对象的内存分配主要在新生代的 Eden Space 和 Survivor Space 的 From Space(Survivor 目 前存放对象的那一块)，少数情况会直接分配到老生代。
当新生代的 Eden Space 和 From Space 空间不足时就会发生一次 GC，进行 GC 后，Eden Space 和 From Space 区的存活对象会被挪到 To Space，然后将 Eden Space 和 From Space 进行清理。
如果 To Space 无法足够存储某个对象，则将这个对象存储到老生代。
在进行 GC 后，使用的便是 Eden Space 和 To Space 了，如此反复循环。
当对象在 Survivor 区躲过一次 GC 后，其年龄就会+1。默认情况下年龄到达 15 的对象会被 移到老生代中。

2.1：常用的虚拟机配置参数
（未完待续）

3.1：GC垃圾收集器
java堆内存被划分为新生代和老年代两个部分，新生代主要使用复制算法，年老代主要使用标记-清除和标记-整理算法，因此java虚拟机中对新生代和老年代分别提供了多种不同的垃圾收集器。

3.1.1： Serial 垃圾收集器（单线程、复制算法）
Serial（英文连续）是最基本垃圾收集器，使用复制算法，曾经是JDK1.3.1 之前新生代唯一的垃圾 收集器。Serial 是一个单线程的收集器，它不但只会使用一个 CPU 或一条线程去完成垃圾收集工 作，并且在进行垃圾收集的同时，必须暂停其他所有的工作线程，直到垃圾收集结束。 Serial 垃圾收集器虽然在收集垃圾过程中需要暂停所有其他的工作线程，但是它简单高效，对于限 定单个 CPU 环境来说，没有线程交互的开销，可以获得最高的单线程垃圾收集效率，因此 Serial 垃圾收集器依然是 java 虚拟机运行在 Client 模式下默认的新生代垃圾收集器。

3.3.2：ParNew（多线程，复制算法）
ParNew 垃圾收集器其实是 Serial 收集器的多线程版本，也使用复制算法，除了使用多线程进行垃 圾收集之外，其余的行为和 Serial 收集器完全一样，ParNew 垃圾收集器在垃圾收集过程中同样也 要暂停所有其他的工作线程。 13/04/2018 Page 32 of 283 ParNew 收集器默认开启和 CPU 数目相同的线程数，可以通过-XX:ParallelGCThreads 参数来限 制垃圾收集器的线程数。【Parallel：平行的】 ParNew虽然是除了多线程外和Serial 收集器几乎完全一样，但是ParNew垃圾收集器是很多 java 虚拟机运行在 Server 模式下新生代的默认垃圾收集器。

3.3.3：Parallel Scavenge收集器（多线程复制算法，高效）
Parallel Scavenge 收集器也是一个新生代垃圾收集器，同样使用复制算法，也是一个多线程的垃 圾收集器，它重点关注的是程序达到一个可控制的吞吐量（Thoughput，CPU 用于运行用户代码 的时间/CPU 总消耗时间，即吞吐量=运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间)）， 高吞吐量可以最高效率地利用 CPU 时间，尽快地完成程序的运算任务，主要适用于在后台运算而 不需要太多交互的任务。自适应调节策略也是 ParallelScavenge 收集器与 ParNew 收集器的一个 重要区别。

3.3.4：Serial Old收集器（单线程标记整理算法）
Serial Old 是 Serial 垃圾收集器年老代版本，它同样是个单线程的收集器，使用标记-整理算法， 这个收集器也主要是运行在 Client 默认的 java 虚拟机默认的年老代垃圾收集器。 在 Server 模式下，主要有两个用途：
在 JDK1.5 之前版本中与新生代的 Parallel Scavenge 收集器搭配使用。
作为年老代中使用 CMS 收集器的后备垃圾收集方案。 新生代 Serial 与年老代 Serial Old 搭配垃圾收集过程图：

新生代 Parallel Scavenge 收集器与 ParNew 收集器工作原理类似，都是多线程的收集器，都使 用的是复制算法，在垃圾收集过程中都需要暂停所有的工作线程。新生代 Parallel Scavenge/ParNew 与年老代 Serial Old 搭配垃圾收集过程图 ：

3.3.5：CMS收集器（多线程标记清除算法）
Concurrent mark sweep(CMS)收集器是一种年老代垃圾收集器，其最主要目标是获取最短垃圾 回收停顿时间，和其他年老代使用标记-整理算法不同，它使用多线程的标记-清除算法。 最短的垃圾收集停顿时间可以为交互比较高的程序提高用户体验。 CMS 工作机制相比其他的垃圾收集器来说更复杂，整个过程分为以下 4 个阶段：

 初始标记： 只是标记一下 GC Roots 能直接关联的对象，速度很快，仍然需要暂停所有的工作线程。 
 并发标记： 进行 GC Roots 跟踪的过程，和用户线程一起工作，不需要暂停工作线程。 
 重新标记： 为了修正在并发标记期间，因用户程序继续运行而导致标记产生变动的那一部分对象的标记 记录，仍然需要暂停所有的工作线程。 
并发清除： 清除 GC Roots 不可达对象，和用户线程一起工作，不需要暂停工作线程。由于耗时最长的并 发标记和并发清除过程中，垃圾收集线程可以和用户现在一起并发工作，所以总体上来看 CMS 收集器的内存回收和用户线程是一起并发地执行。 

CMS 收集器工作过程：

3.3.6：G1收集器
Garbage first 垃圾收集器是目前垃圾收集器理论发展的最前沿成果，相比与 CMS 收集器，G1 收 集器两个最突出的改进是： 1. 基于标记-整理算法，不产生内存碎片。 2. 可以非常精确控制停顿时间，在不牺牲吞吐量前提下，实现低停顿垃圾回收。 G1 收集器避免全区域垃圾收集，它把堆内存划分为大小固定的几个独立区域，并且跟踪这些区域 的垃圾收集进度，同时在后台维护一个优先级列表，每次根据所允许的收集时间，优先回收垃圾 最多的区域。区域划分和优先级区域回收机制，确保 G1 收集器可以在有限时间获得最高的垃圾收 集效率。