JVM内存模型及垃圾回收算法

逃离我推掉我的手 2022-09-19 15:23 202阅读 0赞

JVM内存模型总体架构图

Run-Time Data Areas

The Java Virtual Machine defines various run-time data areas that are used during execution of a program. Some of these data areas are created on Java Virtual Machine start-up and are destroyed only when the Java Virtual Machine exits. Other data areas are per thread. Per-thread data areas are created when a thread is created and destroyed when the thread exits.

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。

![SouthEast][]

**程序计数器（The Program Counter Register）**  
多线程时，当线程数超过CPU数量或CPU内核数量，线程之间就要根据时间片轮询抢夺CPU时间资源。因此每个线程有要有一个独立的程序计数器，记录下一条要运行的指令。线程私有的内存区域。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。

If that method is not native, the pc register contains the address of the Java Virtual Machine instruction currently being executed. If the method currently being executed by the thread is native, the value of the Java Virtual Machine's pc register is undefined. The Java Virtual Machine's pc register is wide enough to hold a returnAddress or a native pointer on the specific platform.  
**虚拟机栈 (Java Virtual Machine Stacks)**  
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。每个方法执行时都会创建一个桢栈来存储方法的私有变量、操作数栈、动态链接方法、返回值、返回地址等信息。栈的大小决定了方法调用的可达深度（递归多少层次，或嵌套调用多少层其他方法，-Xss参数可以设置虚拟机栈大小）。栈的大小可以是固定的，或者是动态扩展的。如果栈的深度是固定的，请求的栈深度大于最大可用深度，则抛出stackOverflowError；如果栈是可动态扩展的，但没有内存空间支持扩展，则抛出OutofMemoryError。

The following exceptional conditions are associated with Java Virtual Machine stacks:  
If the computation in a thread requires a larger Java Virtual Machine stack than is permitted, the Java Virtual Machine throws a**StackOverflowError.**  
If Java Virtual Machine stacks can be dynamically expanded, and expansion is attempted but insufficient memory can be made available to effect the expansion, or if insufficient memory can be made available to create the initial Java Virtual Machine stack for a new thread, the Java Virtual Machine throws an **OutOfMemoryError.**

放在栈中的运算是比java堆速度快，所以尽量使用方法内的局部变量运算速度会比较快。  
使用jclasslib工具可以查看class类文件的结构。下图为栈帧结构图：

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**本地方法区(Native Method Stacks)**  
和虚拟机栈功能相似，但管理的不是JAVA方法，是本地方法，本地方法是用C实现的。

**JAVA堆（JVM heap）**  
线程共享的，存放所有对象实例和数组。垃圾回收的主要区域。可以分为新生代和老年代(tenured)。  
新生代用于存放刚创建的对象以及年轻的对象，如果对象一直没有被回收，生存得足够长，老年对象就会被移入老年代。  
新生代又可进一步细分为eden、survivorSpace0(s0,from space)、survivorSpace1(s1,to space)。刚创建的对象都放入eden,s0和s1都至少经过一次GC并幸存。如果幸存对象经过一定时间仍存在，则进入老年代(tenured)。

A Java Virtual Machine implementation may provide the programmer or the user control over the initial size of the heap, as well as, if the heap can be dynamically expanded or contracted, control over the maximum and minimum heap size.  
The following exceptional condition is associated with the heap:  
If a computation requires more heap than can be made available by the automatic storage management system, the Java Virtual Machine throws an OutOfMemoryError.

![SouthEast 2][]  
**方法区( Method Area) **  
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、即时编译器编译后的代码。**也成为永久代。**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

**垃圾回收算法**

**标记-清除算法(Mark-Sweep)**  
从根节点开始标记所有可达对象，其余没标记的即为垃圾对象，执行清除。但回收后的空间是不连续的。  
  
**复制算法(copying)**  
将内存分成两块，每次只使用其中一块，垃圾回收时，将标记的对象拷贝到另外一块中，然后完全清除原来使用的那块内存。复制后的空间是连续的。**复制算法适用于新生代，**因为垃圾对象多于存活对象，复制算法更高效。在新生代串行垃圾回收算法中，将eden中标记存活的对象拷贝未使用的s1中，s0中的年轻对象也进入s1，如果s1空间已满，则进入老年代；这样交替使用s0和s1。这种改进的复制算法，既保证了空间的连续性，有避免了大量的内存空间浪费。  
![SouthEast 3][]

**标记-压缩算法(Mark-compact)**  
适合用于**老年代**的算法（存活对象多于垃圾对象）。  
标记后不复制，而是将存活对象压缩到内存的一端，然后清理边界外的所有对象。

![SouthEast 4][]  
  
**JVM参数：**

\-XX:+PrintGCDetails  打印垃圾回收信息

\-Xms 为Heap区域的初始值，线上环境需要与-Xmx设置为一致，否则capacity的值会来回飘动  
\-Xmx 为Heap区域的最大值  
\-Xss（或-ss） 线程栈大小（指一个线程的native空间）1.5以后是1M的默认大小  
\-XX:PermSize与-XX:MaxPermSize  方法区（永久代）的初始大小和最大值（但不是本地方法区）  
\-XX:NewRatio  老年代与新生代比率  
\-XX:SurvivorRatio  Eden与Survivor的占用比例。例如8表示，一个survivor区占用 1/8 的Eden内存，即1/10的新生代内存，为什么不是1/9？因为我们的新生代有2个survivor，即S1和S22。所以survivor总共是占用新生代内存的 2/10，Eden与新生代的占比则为 8/10。  
\-XX:MaxHeapFreeRatio  GC后，如果发现空闲堆内存占到整个预估的比例小于这个值，则减小堆空间。  
\-XX:MinHeapFreeRatio  GC后，如果发现空闲堆内存占到整个预估的比例大于这个值，则增大堆空间。  
\-XX:NewSize    新生代大小

参考文章：

http://www.cubrid.org/blog/dev-platform/understanding-java-garbage-collection/

http://www.oracle.com/webfolder/technetwork/tutorials/obe/java/gc01/index.html

http://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-2.html

http://colobu.com/2015/04/07/minor-gc-vs-major-gc-vs-full-gc/

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