1 min to read

Java内存结构与垃圾回收

Featured image

==== 大致分为四部分堆、栈、方法区、程序计数器
栈和程序计数器每个线程独有的，不共享；堆和方法区是各个线程共享的。

堆

堆中存放的是java对象实例，在JDK8中，String常量池也存在于堆中。

进一步细分为新生代和老生代；新生代内存是连续的，所以分配很快，新生代又分为3部分，分别命名为Eden，from，to；具体区别在总结垃圾回收时详细说明；

栈

存储基本类型的变量和对象在JVM的地址；可以细分为虚拟机栈和本地方法栈；栈是由栈桢构成，可以把一个方法当作一个栈桢；方法的执行就是栈桢进栈和出栈的过程。

方法区

用于存储类信息（类全限定名，访问权限，超类，字段的权限类型名称等），静态变量，方法（名称，权限、输入输出、字节码、异常表），类加载器的引用（加载类时用到的类加载器），类实例（并不是指new的实例，而是通过Class.forName()获取的类实例）

程序计数器

也是虚拟机的一小块内存，可以看作是字节码行号指示器，会记录正在执行的java字节码的行号，通过改变这个行号来选取下一条要执行的指令；常见的分支、跳转、循环、异常等都需要依赖行号指示器实现。

内存设置

设置项|含义 –|– -Xmx|堆的最大内存| -Xms|堆的初始值(最好与-Xmx保持一致)| -Xmn|年轻代大小 -XX:NewRatio|年轻代与老年代的比例（默认是1:2） -XX:SurvivorRatio|设置eden与from的比值，默认为8即年轻代按8:1:1划分 -Xss|线程栈的大小，默认为1M -XX:MaxPermSize|持久代大小

垃圾回收算法

复制算法

大体思路是将内存分成1：1两部分，其中一个称为from；另一个称为to；从from的根对象（根一般是在虚拟机栈、本地栈、方法区中存有引用的对象；）开始进行深度遍历，遇见存活的对象就复制到to中，对于已经复制过的对象会被标记为copied，并在forwarding中记录新对象的地址以便于其余引用的修改。当复制完成后，就会清除from中的数据；

另外还有一种改进的复制算法（cheney复制算法），大体思路相同，只不过是采用广度优先搜索；首先复制根对象（如A和B），这时有两个指针，scan指向A，free指向内存的下一个存储位置（B后面的空闲内存）；之后对A进行搜索，搜索完毕时，scan指向B；free随着复制进行移动，一直指向下一个空闲位置；直到scan和free两个地址相等。详见： https://blog.csdn.net/u014228375/article/details/68957510 这样做的好处是相比递归迭代（深度搜索），可以抑制调用函数的额外负担和栈的消耗，缺点是相关联的对象在内存上未必是相邻的；

复制算法适用于存活率较低的情况下，这样遍历耗时比较小。所以通常用于新生代的垃圾回收。
缺点：浪费内存，总有一半的内存空间不能得到充分利用。（为了优化这个问题，新生代将内存分为了三部分，而不是两部分）
优点：回收之后，没有内存碎片化的现象，并且相关联的对象物理上距离比较近，与缓存兼容性更好，有利于提高访问性能。只遍历一遍，并且只遍历活的对象，耗时相对较少。

标记清除算法

该算法一般应用在老年代。
标记阶段：类似于复制算法，找到所有可访问的对象，做个标记（每个对象有一个mark字段，默认是false），mark置为true。

清除阶段：遍历堆中的所有对象，如果mark为false则直接回收，如果为true，则置为false。

优点：可以解决循环引用的问题。在内存不足时才执行，

缺点：在回收阶段，需要stop the word；效率比较低；会带来内存碎片化问题。

标记整理算法

标记阶段：与标记清除算法相同。

整理阶段：遍历所有对象，对于存活对象向内存的一端移动，遍历完毕之后直接回收端外的所有内存。

优缺点：主要解决了标记-清除算法的内存碎片化问题，但是整理移动元素的过程带来了一定的时间消耗。

垃圾回收器

垃圾回收器

Serial & Serial Old收集器

ParNew

Parallel Scavenge & Parallel Old

通过-XX:+UseParallelGC -XX:+UseParallelOldGC设置新生代和老生代使用并行收集器，前者设置的是新生代收集器，后者设置的是老生代收集器。（Old设置之后，新生代默认是Parallel)

这里是并行收集器，并不是并发收集器。（并行：多线程进行GC，并发：GC线程与用户线程同时工作）

CMS

针对老年代的并发收集回收器，采用标记-清除算法，目的是为了获取最少停顿时间，一般应用在与用户交互多的场景。
-XX:+UseConcMarkSweepGC 参考文档：https://docs.oracle.com/javase/8/my_docs/technotes/guides/vm/gctuning/cms.html

一些配置：

配置项 含义
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction默认值70 内存占用率大于70%时启动垃圾回收
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection JDK9中已经移除
-XX:+CMSFullGCsBeforeCompaction 表示进行多少次CMS GC之后，来一次压缩整理。

G1

-XX:+UseG1GC -Xmx32g -XX:MaxGCPauseMillis=200
设计初衷是为了尽量缩短处理超大堆（大于4GB）时产生的停顿。

内存结构：在物理上不再划分新生代和老生代，因此也不需要设置新生代与老生代的大小。而是统一划分为一个个的region，一部分属于新生代(eden和survior)，另一部分属于老生代（old）。还有一部分特殊的区域Humongous(多个region构成)用于存储大对象(大于region大小的50%)。

两种GC模式(Young GC和Mixed GC)
新生代的GC采用复制算法，并行回收，依旧会stop the world。
新生代分为了两部分，eden和survivor区域。当分配对象时，如果eden的空间不够，就触发新生代的GC。eden中的存活对象移动到survivor区域中，survivor中的某些对象可能移动到老年代或者新的survivor。如果survivor区满了，eden中的对象可能直接到Old区域。

Mix GC：XX:InitiatingHeapOccupancyPercent 默认值是45，老年代的占用空间与堆的比值达到或超过这个值时(45%)，就触发老年代的回收。这时依旧会先进行young gc，然后再对部分老年代的region进行GC。mix gc的四个步骤如下：

如果配置合理，不会发生full gc，但如果内存消耗太快，mixed GC无法跟上内存分配速度时，会采用serial old GC垃圾回收器进行Full GC。

Remembered Set区域：辅助GC的一块存储区域，用空间换时间，逻辑上来讲每个region对应一个R set区域，记录这个region中的哪些对象被其他对象引用了。

humongous Objects：

Pause Prediction Model，停顿预测模型：

三色标记法：

SATB（Snapshot-At-The-Beginning）：

常用配置

参数/默认值 含义
-XX:MaxGCPauseMillis=200 设置期望达到的最大GC停顿时间指标（JVM会尽力实现，但不保证达到）
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45 启动并发GC周期时的堆内存占用百分比. G1之类的垃圾收集器用它来触发并发GC周期,基于整个堆的使用率,而不只是某一代内存的使用比. 值为 0 则表示”一直执行GC循环”. 默认值为 45.
-XX:NewRatio=n 新生代与老生代(new/old generation)的大小比例(Ratio). 默认值为 2.
-XX:SurvivorRatio=n eden/survivor 空间大小的比例(Ratio). 默认值为 8.
-XX:MaxTenuringThreshold=n 提升年老代的最大临界值(tenuring threshold). 默认值为 15.
-XX:ParallelGCThreads=n 设置垃圾收集器在并行阶段使用的线程数,默认值随JVM运行的平台不同而不同.
-XX:ConcGCThreads=n 并发垃圾收集器使用的线程数量. 默认值随JVM运行的平台不同而不同.
-XX:G1ReservePercent=n 设置堆内存保留为假天花板的总量,以降低提升失败的可能性. 默认值是 10.
-XX:G1HeapRegionSize=n 使用G1时Java堆会被分为大小统一的的区(region)。此参数可以指定每个heap区的大小. 默认值将根据 heap size 算出最优解. 最小值为 1Mb, 最大值为 32Mb.

参考：
https://blog.csdn.net/qq_19917081/article/details/54585099
https://blog.csdn.net/j3T9Z7H/article/details/80074460
https://www.cnblogs.com/yunxitalk/p/8987318.html
https://tech.meituan.com/g1.html
https://www.jianshu.com/p/bc42531b28f3

GC相关设置

-XX:MaxGCPauseMillis=100:设置每次年轻代垃圾回收的最长时间，如果无法满足此时间，JVM会自动调整年轻代大小，以满足此值。值太小的话容易导致频繁GC。

新生代GC过程

对于新生代来说，创建对象时首先在在Eden中分配（对于某些占内存比较大的对象，可以通过-XX:PretenureSizeThreshold 配置直接分配到老年代）；如果Eden内存不够，则发起minor GC，将Eden中的对象转移到to区，同时会扫描from中的对象，决定是到to或者是到老生代。可以认为每经过一次GC，对象的年龄就增加1岁。大于指定年龄（-XX:MaxTenuringThreshold）或者是所有对象占用内存只和大于from/to的内存，就会进入老生代。

老年代的GC

老年代的GC一般发生在当MinorGC向老年代移动数据，老年代空间不足时；

分代GC是对GC的优化。按照生存期的长短对java对象进行分别存储，并采用相应的GC策略。

已弃用的引用计数器算法

无法解决循环引用的问题
每次对象被引用时，需要更新引用计数器，有时间开销。

实时性 ：无需等到内存不够的时候，才开始回收，运行时根据对象的计数器是否为0，就可以直接回收。
应用无需挂起 ：在垃圾回收过程中，应用无需挂起。如果申请内存时，内存不足，则立刻报outofmember 错误。
区域性 ：更新对象的计数器时，只是影响到该对象，不会扫描全部对象