JVM内存模型与GC算法（简介）

Posted 2022-01-28 anhaogoon

 

JVM内存模型如上图，需要声明一点，这是《Java虚拟机规范（Java SE 7版）》规定的内容，实际区域由各JVM自己实现，所以可能略有不同。以下对各区域进行简短说明。

1.1程序计数器

  程序计数器是众多编程语言都共有的一部分，作用是标示下一条需要执行的指令的位置，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都是依赖程序计数器完成的。

  对于Java的多线程程序而言，不同的线程都是通过轮流获得cpu的时间片运行的，这符合计算机组成原理的基本概念，因此不同的线程之间需要不停的获得运行，挂起等待运行，所以各线程之间的计数器互不影响，独立存储。这些数据区属于线程私有的内存。

1.2 Java虚拟机栈

  VM虚拟机栈也是线程私有的，生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法调用直至执行完的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

  有人将java内存区域划分为栈与堆两部分，在这种粗略的划分下，栈标示的就是当前讲的虚拟机栈，或者是虚拟机栈对应的局部变量表。之所以说这种划分比较粗略是角度不同，这种划分方法关心的是新申请内存的存在空间，而我们目前谈论的是JVM整体的内存划分，由于角度不同，所以划分的方法不同，没有对与错。

  局部变量表存放了编译期可知的各种基本类型，对象引用，和returnAddress。其中64位长的long和double占用了2个局部变量空间(slot)，其他类型都占用1个。这也从存储的角度上说明了long与double本质上的非原子性。局部变量表所需的内存在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表大小。

  由于栈帧的进出栈，显而易见的带来了空间分配上的问题。如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverFlowError异常；如果虚拟机栈可以扩展，扩展时无法申请到足够的内存，将会抛出OutOfMemoryError。显然，这种情况大多数是由于循环调用与递归带来的。

1.3 本地方法栈

  本地方法栈与虚拟机栈的作用十分类似，不过本地方法是为native方法服务的。部分虚拟机（比如 Sun HotSpot虚拟机）直接将本地方法栈与虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StactOverFlowError与OutOfMemoryError异常。

  至此，线程私有数据区域结束，下面开始线程共享数据区。

1.4 Java堆

  Java堆是虚拟机所管理的内存中最大的一块，在虚拟机启动时创建，此块内存的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在对上分配内存。JVM规范中的描述是：所有的对象实例以及数据都要在堆上分配。但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟，栈上分配(对象只存在于某方法中，不会逃逸出去，因此方法出栈后就会销毁，此时对象可以在栈上分配，方便销毁)，标量替换(新对象拥有的属性可以由现有对象替换拼凑而成，就没必要真正生成这个对象)等优化技术带来了一些变化，目前并非所有的对象都在堆上分配了。

  当java堆上没有内存完成实例分配，并且堆大小也无法扩展是，将会抛出OutOfMemoryError异常。Java堆是垃圾收集器管理的主要区域。

1.5 方法区

  方法区与java堆一样，是线程共享的数据区，用于存储被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译的代码。JVM规范将方法与堆区分开，但是HotSpot将方法区作为永久代(Permanent Generation)实现。这样方便将GC分代手机方法扩展至方法区，HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一样管理方法区。但是这种方向已经逐步在被HotSpot替换中，在JDK1.7的版本中，已经把原本存放在方法区的字符串常量区移出。

  至此，JVM规范所声明的内存模型已经分析完毕，下面将分析一些经常提到的与内存相关的区域。

1.6 运行时常量池

  运行时常量池是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等信息外，还有一项信息是常量池(Constant Poll Table)用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池存放。

  其中字符串常量池属于运行时常量池的一部分，不过在HotSpot虚拟机中，JDK1.7将字符串常量池移到了java堆中，通过下面的实验可以很容易看到。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * Created by shining.cui on 2017/7/23.
 */
public class RunTimeContantPoolOOM 
    public static void main(String[] args) 
        List list = new ArrayList();
        int i = 0;
        while(true)
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        
    

  在jdk1.6中，字符串常量区是在Perm Space中的，所以可以将Perm Spacce设置的小一些，XX:MaxPermSize=10M可以很快抛出异常：java.lang.OutOfMemoryError:Perm Space。

  在jdk1.7以上，字符串常量区已经移到了Java堆中，设置-Xms:64m -Xmx:64m，很快就可以抛出异常java.lang.OutOfMemoryError:java.heap.space。

1.7 直接内存

  直接内存不是JVM运行时的数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。在JDK1.4中引入了NIO(New Input/Output)类，引入了一种基于通道(Chanel)与缓冲区(Buffer)的I/O方式，他可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java中的DirectByteBuffer对象作为对这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java对和Native对中来回复制数据。

2.GC算法

2.1 标记-清除算法

  最基础的垃圾收集算法是“标记-清除”(Mark Sweep)算法，正如名字一样，算法分为2个阶段：1.标记处需要回收的对象，2.回收被标记的对象。标记算法分为两种:1.引用计数算法(Reference Counting) 2.可达性分析算法(Reachability Analysis)。由于引用技术算法无法解决循环引用的问题，所以这里使用的标记算法均为可达性分析算法。

  如图所示，当进行过标记清除算法之后，出现了大量的非连续内存。当java堆需要分配一段连续的内存给一个新对象时，发现虽然内存清理出了很多的空闲，但是仍然需要继续清理以满足“连续空间”的要求。所以说，这种方法比较基础，效率也比较低下。

2.2 复制算法

  为了解决效率与内存碎片问题，复制(Copying)算法出现了，它将内存划分为两块相等的大小，每次使用一块，当这一块用完了，就讲还存活的对象复制到另外一块内存区域中，然后将当前内存空间一次性清理掉。这样的对整个半区进行回收，分配时按照顺序从内存顶端依次分配，这种实现简单，运行高效。不过这种算法将原有的内存空间减少为实际的一半，代价比较高。

  从图中可以看出，整理后的内存十分规整，但是白白浪费一般的内存成本太高。然而这其实是很重要的一个收集算法，因为现在的商业虚拟机都采用这种算法来回收新生代。IBM公司的专门研究表明，新生代中的对象98%都是“朝生夕死”的，所以不需要按照1:1的比例来划分内存。HotSpot虚拟机将Java堆划分为年轻代(Young Generation)、老年代(Tenured Generation），其中年轻代又分为一块Eden和两块Survivor。

  所有的新建对象都放在年轻代中，年轻代使用的GC算法就是复制算法。其中Eden与Survivor的内存大小比例为8:2，其中Eden由1大块组成，Survivor由2小块组成。每次使用内存为1Eden+1Survivor，即90%的内存。由于年轻代中的对象生命周期往往很短，所以当需要进行GC的时候就将当前90%中存活的对象复制到另外一块Survivor中，原来的Eden与Survivor将被清空。但是这就有一个问题，我们无法保证每次年轻代GC后存活的对象都不高于10%。所以在当活下来的对象高于10%的时候，这部分对象将由Tenured进行担保，即无法复制到Survivor中的对象将移动到老年代。

2.3 标记-整理算法

  复制算法在极端情况下(存活对象较多)效率变得很低，并且需要有额外的空间进行分配担保。所以在老年代中这种情况一般是不适合的。

  所以就出现了标记-整理(Mark-Compact)算法。与标记清除算法一样，首先是标记对象，然而第二步是将存货的对象向内存一段移动，整理出一块较大的连续内存空间。

  3. 总结

1. Java虚拟机规范中规定了对内存的分配，其中程序计数器、本地方法栈、虚拟机栈属于线程私有数据区，Java堆与方法区属于线程共享数据。
2. Jdk从1.7开始将字符串常量区由方法区(永久代)移动到了Java堆中。
3. Java从NIO开始允许直接操纵系统的直接内存，在部分场景中效率很高，因为避免了在Java堆与Native堆中来回复制数据。
4. Java堆分为年轻代有年老代，其中年轻代分为1个Eden与2个Survior，同时只有1个Eden与1个Survior处于使用中状态，又有年轻代的对象生存时间为往往很短，因此使用复制算法进行垃圾回收。
5. 年老代由于对象存活期比较长，并且没有可担保的数据区，所以往往使用标记-清除与标记-整理算法进行垃圾回收。

 

虚拟机中的共划分为三个代：年轻代（Young Generation）、老年代（Old Generation）和持久代（Permanent Generation）。其中持久代主要存放的是Java类的类信息，与垃圾收集要收集的Java对象关系不大。年轻代和年老代的划分是对垃圾收集影响比较大的。

     

年轻代:

所有新生成的对象首先都是放在年轻代的。年轻代的目标就是尽可能快速的收集掉那些生命周期短的对象。年轻代分三个区。一个Eden区，两个Survivor区(一般而言)。大部分对象在Eden区中生成。当Eden区满时，还存活的对象将被复制到Survivor区（两个中的一个），当这个Survivor区满时，此区的存活对象将被复制到另外一个Survivor区，当这个Survivor去也满了的时候，从第一个Survivor区复制过来的并且此时还存活的对象，将被复制“年老区(Tenured)”。需要注意，Survivor的两个区是对称的，没先后关系，所以同一个区中可能同时存在从Eden复制过来 对象，和从前一个Survivor复制过来的对象，而复制到年老区的只有从第一个Survivor去过来的对象。而且，Survivor区总有一个是空的。同时，根据程序需要，Survivor区是可以配置为多个的（多于两个），这样可以增加对象在年轻代中的存在时间，减少被放到年老代的可能。

年老代:

在年轻代中经历了N次垃圾回收后仍然存活的对象，就会被放到年老代中。因此，可以认为年老代中存放的都是一些生命周期较长的对象。

持久代:

用于存放静态文件，如今Java类、方法等。持久代对垃圾回收没有显著影响，但是有些应用可能动态生成或者调用一些class，例如Hibernate等，在这种时候需要设置一个比较大的持久代空间来存放这些运行过程中新增的类。持久代大小通过-XX:MaxPermSize=<N>进行设置。

 

Scavenge GC

一般情况下，当新对象生成，并且在Eden申请空间失败时，就会触发Scavenge GC，对Eden区域进行GC，清除非存活对象，并且把尚且存活的对象移动到Survivor区。然后整理Survivor的两个区。这种方式的GC是对年轻代的Eden区进行，不会影响到年老代。因为大部分对象都是从Eden区开始的，同时Eden区不会分配的很大，所以Eden区的GC会频繁进行。因而，一般在这里需要使用速度快、效率高的算法，使Eden去能尽快空闲出来。

Full GC

对整个堆进行整理，包括Young、Tenured和Perm。Full GC因为需要对整个对进行回收，所以比Scavenge GC要慢，因此应该尽可能减少Full GC的次数。在对JVM调优的过程中，很大一部分工作就是对于FullGC的调节。有如下原因可能导致Full GC：

· 年老代（Tenured）被写满

· 持久代（Perm）被写满

· System.gc()被显示调用

·上一次GC之后Heap的各域分配策略动态变化