Jvm-内存模型和GC算法

• JVM内存模型和结构

    JVM定义了不同运行时数据区，他们是用来执行应用程序的。某些区域随着JVM启动及销毁，另外一些区域的数据是线程性独立的，随着线程创建和销毁.

 

线程私有区：

    1.程序计数器：

        当同时进行的线程数超过CPU数或其内核数时，就要通过时间片轮询分派CPU的时间资源，不免发生线程切换。这时，每个线程就需要一个属于自己的计数器来记录下一条要运行的指令（保存线程切换时执行的位置）。如果执行的是JAVA 方法，计数器记录正在执行的java字节码地址，如果执行的是native方法，则计数器为空。

    2.虚拟机栈：

    线程私有的，与线程在同一时间创建。管理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 栈帧用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息。方法的执行就对应着栈帧在虚拟机栈中入栈和出栈的过程；栈里面存放着各种基本数据类型和对象的引用；

栈中存放了编译器可知的八种基本数据类型(byte,char,short,int,long,double,float,boolean) 以及对象引用(对象引用不等同对象本身，可能是指向对象起始地址的引用指针)。 栈的生命周期与线程相同，每个方法在执行的同事都会创建一个栈帧(栈帧是用来存储局部变量表，操作数栈， 动态链接以及方法出口等) 通过配置-Xss参数来设置栈容量大小

下图为栈帧结构图：

 

    3.本地方法栈：

                本地方法栈保存的是native方法的信息，当一个JVM创建的线程调用native方法后，JVM不再为其在虚拟机栈中创建栈                  帧，JVM只是简单地动态链接并直接调用native方法；

 

线程共享区：

    1.方法区：

线程共享的，用于存放被虚拟机加载的类的元数据信息，如常量、静态变量和即时编译器编译后的代码。若要分代，算是永久代（老年代），以前类大多“static”的，很少被卸载或收集，现回收废常量和无用的类。其中运行时常量池存放编译生成的各种常量。（如果hotspot虚拟机确定一个类的定义信息不会被使用，也会将其回收。回收的基本条件至少有：所有该类的实例被回收，而且装载该类的ClassLoader被回收） (jdk1.8已经将方法区去掉了，将方法区移动到直接内存)

    JDK1.8为什么要移除方法区

1）永久代来存储类信息、常量、静态变量等数据不是个好主意, 很容易遇到内存溢出的问题.JDK8的实现中将类的元数据放入 native memory, 将字符串池和类的静态变量放入java堆中. 可以使用MaxMetaspaceSize对元数据区大小进行调整；

2）对永久代进行调优是很困难的,同时将元空间与堆的垃圾回收进行了隔离，避免永久代引发的Full GC和OOM等问题；

 

    2.堆：

存放对象实例和数组，是垃圾回收的主要区域，分为新生代和老年代。刚创建的对象在新生代的Eden区中，经过GC后进入新生代的S0区中，再经过GC进入新生代的S1区中，15次GC后仍存在就进入老年代。这是按照一种回收机制进行划分的，不是固定的。若堆的空间不够实例分配，则OutOfMemoryError。

 

运行时常量池： 运行时常量池是方法区的一部分，用于存放编译期生成的各种字面("zdy","123"等)和符号引用。

 

直接内存：不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是java虚拟机规范中定义的内存区域；

                        1）如果使用了NIO,这块区域会被频繁使用，在java堆内可以用directByteBuffer对象直接引用并操作；

                        2） 这块内存不受java堆大小限制，但受本机总内存的限制，可以通过MaxDirectMemorySize来设置（默认与堆                                 内 存最大值一样），所以也会出现OOM异常；

            

          堆和栈的区别：

                    栈是运行时单位，代表着逻辑，内含基本数据类型和堆中对象引用，所在区域连续，没有碎片；

                    堆是存储单位，代表着数据，可被多个栈共享（包括成员中基本数据类型、引用和引用对象），所在区域不连续，                            会  有碎片。

                    1. 功能上的不同：

                            栈内存用来存储局部变量和方法调用（基本数据类型的变量（int、short、long、byte、float、double、boolean、char等）以及对象的引用变量，其内存分配在栈上，变量出了作用域                      就 会自动释放；）

                            而堆内存用来存储Java中的对象。无论是成员变量，局部变量，还是类变量，

                            它们指向的对象都存储在堆内存中。         

                    2. 共享性上的不同：

                            栈内存归属于单个线程，每个线程都会有一个栈内存，其存储的变量只能在其所属线程中可见，即栈内存可以理解成线程的私有内存。

                   堆内存中的对象对所有线程可见。堆内存中的对象可以被所有线程访问。

            3. 空间大小：

                    栈的内存要远远小于堆内存，栈的深度是有限制的，如果递归没有及时跳出，很可能发生StackOverFlowError问题。

                    你可以通过-Xss选项设置栈内存的大小(这个参数是设定单个线程的栈空间)。-Xms选项可以设置堆的开始时的大小，-Xmx选项可以设置堆的最大值

            4.异常错误提示：

                    栈空间不足：java.lang.StackOverFlowError。

                     堆空间不足：java.lang.OutOfMemoryError。

        JVM内存参数设定

-Xms 初始堆内存大小

-Xmx 最大堆内存大小

-Xss 单个线程栈大小

-XX:NewSize 初始新生代堆大小

-XX:MaxNewSize 生代最大堆大小

-XX:PermSize 方法区初始大小(JDK1.7及以前)

-XX:MaxPermSize 方法区最大大小(JDK1.7及以前)

-XX:MetaspaceSize 元数据区初始值(JDK1.8)

-XX:MaxMetaspaceSize 元数据区最大值(JDK1.8)

参数设置示例

jdk1.7 windows设置tomcat的catalina.bat

set JAVA_OPTS=-Xms1024m -Xmx1024m -Xss1m -XX:PermSize=128m -XX:MaxPermSize=256m -XX:NewSize=256m -XX:MaxNewSize=256m

jdk1.8 windows设置tomcat的catalina.bat

set JAVA_OPTS=-Xms1024m -Xmx1024m -Xss1m -XX:MetaspaceSize=128m -XX:MAXMetaspaceSize=256m -XX:NewSize=256m -XX:MaxNewSize=256m

 

jdk1.7 linux设置tomcat的catalina.sh

JAVA_OPTS=-Xms1024m -Xmx1024m -Xss1m -XX:PermSize=128m -XX:MaxPermSize=256m -XX:NewSize=256m -XX:MaxNewSize=256m

jdk1.8 linux设置tomcat的catalina.sh

JAVA_OPTS=-Xms1024m -Xmx1024m -Xss1m -XX:MetaspaceSize=128m -XX:MAXMetaspaceSize=256m -XX:NewSize=256m -XX:MaxNewSize=256m

 

    GC原理：

        判断对象是否存活一般有两种方式：

            引用计数：每个对象有一个引用计数属性，新增一个引用时计数加1，引用释放时计数减1，计数为0时可以回收。此方法简单，无法解决对象相互循环引用的问题。 这个方法实现简                        单，效率高，但是目前主流的虚拟机中并没有选择这个算法来管理内存，其最主要的原因是它很难解决对象之间相互循环引用的问题。 

            可达性分析（Reachability Analysis）：从GC Roots开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链。当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证明此对象是不可用，不可达对象。

 

    垃圾回收算法：

        1.标记-清除法：

            该算法分为“标记”和“清除”阶段：首先比较出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收掉所有被标记的对象。它是最基础的收集算法，后续的算法都是对其不足进行改进得到。这种垃圾收集算法会带来两个明显的问题：

1. 1. 效率问题
   2. 空间问题（标记清除后会产生大量不连续的碎片）

        2. 复制算法

             为了解决效率问题，“复制”收集算法出现了。它可以将内存分为大小相同的两块，每次使用其中的一块。当这一块的内存使用完后，就将还存活的对象复制到另一块去，然后再把使用的空间一次清理掉。这样就使每次的内存回收都是对内存区间的一半进行回收。

         3.标记-整理（压缩）法

                 根据老年代的特点提出的一种标记算法，标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象回收，而是让所有存活的对象向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

         4. 分代收集算法

                当前虚拟机的垃圾收集都采用分代收集算法，这种算法没有什么新的思想，只是根据对象存活周期的不同将内存分为几块。一般将 java 堆分为新生代和老年代，这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。

比如在新生代中，每次收集都会有大量对象死去，所以可以选择复制算法，只需要付出少量对象的复制成本就可以完成每次垃圾收集。而老年代的对象存活几率是比较高的，而且没有额外的空间对它进行分配担保，所以我们必须选择“标记-清除”或“标记-整理”算法进行垃圾收集。

 

 不可达的对象并非“非死不可”

即使在可达性分析法中不可达的对象，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“缓刑阶段”，要真正宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程；可达性分析法中不可达的对象被第一次标记并且进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行 finalize 方法。当对象没有覆盖 finalize 方法，或 finalize 方法已经被虚拟机调用过时，虚拟机将这两种情况视为没有必要执行。

被判定为需要执行的对象将会被放在一个队列中进行第二次标记，除非这个对象与引用链上的任何一个对象建立关联，否则就会被真的回收。