深入理解JVM：内存管理与垃圾回收机制探索

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分类专栏： JVM 文章标签： jvm

于 2024-07-08 10:18:18 首次发布

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1. JVM简介

JVM是什么？

Java虚拟机（JVM）是Java程序的运行环境，它负责将编写的Java字节码转换为特定操作系统上的机器指令，并管理程序的运行时环境。简而言之，JVM是Java跨平台特性的基石。

JVM的重要性

JVM允许Java程序在不同的硬件和操作系统上无缝运行，无需重新编译。它不仅管理内存分配、垃圾回收等底层任务，还通过即时编译（JIT）提升运行效率，确保了Java应用的高性能与可移植性。

2. JVM结构图

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类加载子系统：负责查找并加载类文件的字节码，转换成JVM能理解的数据结构，并存储在方法区中。包括类的加载、验证、准备、解析和初始化等阶段。
运行时数据区域：主要包括堆、栈、方法区、运行时常量池和本地方法栈。
方法区：存储已被加载的类信息、常量、静态变量等。
运行时常量池：存放编译期生成的各种字面量和符号引用。
堆：存放几乎所有的对象实例。
虚拟机栈：JVM为每个线程创建的，用来存储Java方法调用的状态信息，包括局部变量、操作数栈、动态链接和方法返回地址等。它是线程私有的，遵循后进先出（LIFO）原则。
本地方法栈：为JVM使用到的Native方法服务。
程序计数器：每个线程私有的，它记录了当前线程执行的字节码指令的地址，用于控制程序流程，实现指令间的跳转和调用返回，是线程切换和异常处理的关键部件。
执行引擎：负责解释或编译字节码，执行Java程序。包含解释器、即时编译器（JIT）等组件，实现高效代码执行。
本地方法接口（JNI）：一种标准的编程接口，它定义了Java代码如何调用用其他编程语言（如C、C++）编写的方法的规则。
本地库（Native Libraries）：一组用非Java语言编写的代码库，它们通常以动态链接库（如Windows的.dll文件，Linux的.so文件，macOS的.dylib文件）的形式存在。

3. 内存模型演变

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JDK 1.6: JVM的内存模型包含了一个被称为永久代（PermGen）的区域，它用于存储类的元数据、静态变量以及JVM内部的数据结构。这个区域是在JVM启动时创建的，并且它的大小是固定的，不会因为JVM的运行而改变。
JDK 1.7:虽然永久代仍然存在，但是JVM开始逐渐减少对永久代的使用。字符串常量池和静态变量被移动到了堆上。这是因为永久代的空间有限，如果永久代满了，就会触发Full GC，这会严重影响系统的性能。因此，将这些数据移动到堆上，可以更好地管理这些数据的生命周期，并且避免频繁的Full GC。
JDK 1.8及之后:永久代被完全移除，取而代之的是元空间（Metaspace）。元空间并不在Java堆中，而是在本地内存中。这意味着元空间的大小只受本地内存的限制。运行时常量池和类常量池都被移动到了元空间。但是，字符串常量池仍然在堆上，这是因为字符串常量池中的数据生命周期和普通的Java对象一样，更适合放在堆上管理。

总的来说，从JDK 1.6到1.8，最大的变化是永久代被元空间取代，这改善了内存管理和GC性能，减少了内存溢出的风险，并为开发者提供了更好的内存使用透明度。

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4. JVM垃圾回收

什么是垃圾回收？*自动管理内存的过程，回收不再使用的对象所占的内存空间，防止内存泄露。
垃圾回收如何工作？*通过可达性分析判断对象是否可达，不可达的对象被视为垃圾。常见的算法包括标记-清除、复制、标记-压缩等。

4.1垃圾回收器的类型及组合方式

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(红色虚线)在jdk8时将这两个组合声明为废弃,并在jdk9中完全取消；(绿色虚线)在jdk14中废弃；(绿色虚线)jdk14中,删除CMS垃圾收集器

新生代收集器：

ParNew（Serial 收集器的多线程版本，采用的也是复制算法。可通过-XX:ParallelGCThreads 参数来限制垃圾收集器的线程数。命令参数：-XX:+UseParNewGC）。

Serial（最基本、最古老的垃圾回收器，它在进行垃圾回收时会暂停所有的应用线程，适用于单核处理器的环境以及对延迟不敏感的应用。参数命令：-XX:+UseSerialGC）。

Paralel Scavenge（并行收集的多线程收集器,采用的是复制算法。通过设置参数命令，达到可控制吞吐量（Thoughput ,CPU 用于运行用户代码的时间/CPU总消耗时间）ParallelScavenge 是可以保证新生代的吞吐量优先，但是不能保证整体吞吐量。参数命令：-XX:+UseParallelGC。

老年代收集器：

CMS（多线程并发的收集器，基于标记清除算法。参数命令：-XX:+UseConcMarkSweepGC）。

Serial Old GC（单线程串行的收集器，是基于标记-整理算法。-XX:+UseSerialGC参数可以指定年轻代和老年代都使用串行收集器）。

Parallel Old GC（多线程并发的收集器，基于标记整理算法。参数命令：-XX:+UseParallelOldGC）。

G1（一种全新的垃圾收集器，它既可以用于新生代，也可以用于老年代。G1收集器将堆内存划分为多个小块，可以并行和并发地进行垃圾收集。G1收集器主要用于大堆内存的环境，它的目标是实现高吞吐量和可预测的停顿时间。参数命令：-XX:+UseG1GC）。

4.2 JVM垃圾回收算法

标记清除算法

它的基本思想是分两个阶段进行：标记阶段和清除阶段。
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1.标记阶段：在标记阶段，垃圾回收器会遍历所有的对象，对每个对象进行检查。如果一个对象被其他对象引用，或者是根对象（例如全局变量或者栈上的变量），那么这个对象就被标记为“存活”的。

2.清除阶段：在清除阶段，垃圾回收器会再次遍历所有的对象，如果一个对象没有被标记为“存活”的，那么这个对象就被视为垃圾，垃圾回收器会回收这个对象所占用的内存。

标记-清除算法的优点是实现简单，且可以处理循环引用的情况。但是它的缺点是在清除阶段会产生大量的内存碎片，这可能会导致后续的内存分配变得困难。此外，标记-清除算法需要暂停应用程序来进行垃圾回收，可能会导致应用程序的响应时间增加。

复制算法

复制算法是为了解决标记清除的效率问题。

它的基本思想是将可用内存分为两个相等的部分，每次只使用其中的一半。当这一半的内存用完时，就将还在使用的对象复制到另一半，然后再把已使用的内存清空，用于下一次的内存分配。
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复制算法的步骤如下：

1.将堆内存分为两个相等的部分，只在其中一个部分（称为From区域）上进行内存分配。

2.当From区域的内存用完时，启动垃圾回收过程。遍历From区域中的所有对象，检查它们的引用。如果一个对象被引用，则将它3.复制到另一个区域（称为To区域）。

4.复制过程中，会更新所有指向被复制对象的引用，使它们指向新的位置。

5.复制完成后，交换From区域和To区域的角色。原来的From区域现在变成了To区域，将被清空并用于下一次的内存分配。

复制算法的优点是实现简单，且没有内存碎片。但是它的缺点是需要两倍的内存空间，且复制过程需要暂停应用程序，可能会导致应用程序的响应时间增加。这种算法通常用于新生代的垃圾回收，因为新生代的对象大多数都是“朝生暮死”的，只有少数对象会存活下来，所以复制算法的效率较高。

标记整理算法

它的基本思想也是分两个阶段进行：标记阶段和整理阶段。
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2.整理阶段：在整理阶段，垃圾回收器会移动所有存活的对象，使它们在内存中连续排列，然后直接回收边界以外的内存。

标记-整理算法的优点是可以有效地处理内存碎片问题，因为它会将存活的对象集中到内存的一端。但是，这种算法的缺点是需要移动对象，这会增加垃圾回收的开销，并且需要暂停应用程序来进行垃圾回收，可能会导致应用程序的响应时间增加。

分代收集算法

它基于一个观察：大部分对象在内存中存在的时间很短。这种策略将Java堆分为两个或更多的部分，每个部分称为一个代（Generation）。常见的有新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。

新生代通常包含新创建的对象。当新生代满了，垃圾回收器就会清理新生代中不再使用的对象，这个过程称为Minor GC。如果一个对象在Minor GC后仍然存活，那么它就会被移动到老年代。老年代包含长时间存活的对象。只有当老年代满了，垃圾回收器才会清理老年代中不再使用的对象，这个过程称为Major GC或Full GC。

分代收集的优点是可以高效地回收短生命周期的对象，同时减少了对长生命周期对象的回收频率。这种策略在处理大量短生命周期的对象时特别有效，例如在处理HTTP请求或者GUI事件时创建的临时对象。在Java中，新生代通常使用复制算法进行垃圾回收，而老年代通常使用标记-清除-整理算法进行垃圾回收。这样可以兼顾垃圾回收的效率和内存的利用率。

4.3 JVM垃圾回收过程

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创建新对象先放到Eden区空间
当 Eden 区装满时，会对 Eden 区进行垃圾回收(Minor GC)，在 Eden 区实现清除策略，没有被引用的对象直接被回收，再加载新的对象放到 Eden 区。
Eden 区中依然存活的对象会被移送到 Survivor 区。
在每次Minor GC后，存活的对象会被从当前使用的Survivor区域（假设是Survivor 0）转移到另一个Survivor区域（即Survivor 1），并且对象的年龄会增加。这一过程称为对象的“存活跨越”。
随着对象在Survivor区域之间被复制的次数增多，它们的年龄（即age󠁪计数器）也随之增加。当对象达到预定义的最大年龄阈值（默认是15，可通过-XX:MaxTenuringThreshold󠁪参数调整）时，它们将被晋升到老年代（Old Generation）。
老年代用于存储长期存活或大尺寸的对象，当老年代内存不足时，再次触发GC: Major GC，进行老年代的内存清理。
当老年代空间不足时，JVM将执行Major GC（也称作Full GC），这通常包括对整个年轻代和老年代的垃圾回收。Major GC比Minor GC更消耗资源，因为它涉及更多的内存空间。
如果在执行Major GC后，仍然没有足够的空间来满足新的内存分配需求，JVM将抛出OutOfMemoryError󠁪（OOM）异常，表明无法继续为程序分配所需的内存。

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