JVM虚拟机内存模型、堆内存结构、垃圾回收机制

比眉伴天荒 2023-10-05 14:56 22阅读 0赞

现在JVM的文章太多了，我就不起什么高大上名字了，主要当给自己做笔记，不过写的还挺明白的，往下看，说不定有哪句话就能点醒你。

#### 一、JVM的内存模型 ####

JVM被分为5个区域  
这5个区域按线程是否安全又可分为**线程共享**和**线程独立**两类。  
**线程独立**：每个线程自己有一个，因此线程安全。  
**线程共享**：所有线程共享一个，因此相互影响，不安全。  
下图中右边黄色的是**线程独立**的，左边绿色的是**线程共享**的。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDY4ODU2_size_16_color_FFFFFF_t_70]

###### 线程独立 ######

1，**程序计数器**  
每个线程都有一个独立的程序计数器，用于记录栈帧，来确定程序运行的位置，使得线程切换时能正常的恢复到之前运行的位置。  
如果当前线程是native方法，则其值为null。  
2，**Java虚拟机栈**  
每当执行Java方法时，会进行压栈操作，保存一个栈帧，先入后出。保证Java方法的执行顺序  
**栈帧**：栈帧保存了一个方法的信息，包括局部变量表、操作数栈、动态链表、方法出口等等。  
3，**本地方法栈**  
每当执行native方法时，会进行压栈操作，保存一个栈帧，先入后出。有时程序会调用非Java代码，这时不会在Java虚拟机栈中操作，而是在本地方法栈中记录栈帧。

###### 线程共享 ######

4，**方法区**  
用于存储已被虚拟机加载的类信息、字段信息、方法信息、常量、静态变量以及**运行时常量池**。

5，**堆**  
这是JVM内存中最大的一块区域。大多数情况下所有对象实例及数组的创建都要在堆上分配内存。  
最常被问到的就是堆中的内存回收机制。这个稍后再说。

#### 二、堆内存结构 ####

##### 1.堆内存结构划分理念 #####

按存储对象**存活时间**分类存放。  
将预计很快被清理的对象放在一边，将预计长时间不需要清理的对象放在另一边。  
这样，需要垃圾回收的区域就能大大减小。

##### 2.堆内存结构划分 #####

首先被分成**新生代(Young)** 和 **老年代(Old)** 。  
默认比例是 Young：Old=1：2。

###### 新生代 ######

用来存放存活时间短的对象。  
新生区又被分为**伊甸区(Eden)**、**幸存者0(S0 survivor 0)**、**幸存者1(S1 survivor 1)**。  
默认比例是 Eden：S0：S1=8：1：1

###### 伊甸区(Eden) ######

创建新对象时，其内存会被分配到**伊甸区**。

###### 幸存者0和幸存者1 ######

对**伊甸区**进行垃圾回收时，其中还保留引用的对象会被移动到**幸存者区**

###### 老年代 ######

**老年代**用来存放存活时间长的对象  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDY4ODU2_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

##### 3.为什么要这么划分 #####

我们已经知道了堆内存被分为新生代和老年代。而新生代又被分为**伊甸区(Eden)**、**幸存者0(S0 survivor 0)**、**幸存者1(S1 survivor 1)**。  
那么为什么要做这样的划分呢？  
来自于开发者们巧妙的设计。

如果你敲过一段时间的Java代码你就会明白，80%的代码都是局部变量，用完就回收了，因此存活时间极短，可能一个for循环结束，一个方法结束，就有大量的对象不再被使用。然后，还有20%的对象存活时间较长，甚至整个系统停止之前，这些对象都不能释放内存。  
**因此，找出那些大概率不需要垃圾回收的对象，以及很快失效的对象变得至关重要。**  
所以有了**新生代**和**老年代**的概念。而大多数情况下只会在**新生代**中清理存活时间短的对象。为什么**新生代**和**老年代**是1：2？  
一部分原因当然是，需要垃圾回收的部分当然越小，执行速度越快。当然也不是越小越好，太小会导致多次触发GC执行也会影响JVM的性能。

那么，如何找到这些对象呢？这就是JVM的垃圾回收机制了。且听我细细道来。  
首先，我们新创建的对象都存放在**伊甸区**，**伊甸区**是很大的，占了**新生代**的80%。因为新对象的创建是十分频繁的，需要预留更多的空间，当然存活时间也是极短的。  
当**伊甸区**内存用尽时，就会触发**新生代**的垃圾回收，此时会清理**伊甸区**所有失效的对象。同时将尚未失效的对象移动到**幸存者0**中。顾名思义，幸存者待的地方。显然，幸存者们未被清理说明他们在更长时间内将会被使用。因此，最初的垃圾回收不会影响到**幸存者0**。但在多次清理**伊甸区**后，**幸存者0**内存终会耗尽。此时会在**幸存者0**中进行清理。清理后依然存活的对象并不会直接移动到**老年代**，因为这个区域的对象虽然没有马上失效，但依然有很多存活时间不长的对象，不值得放入**老年代**。  
因此，当**幸存者0**中垃圾回收后的剩余对象，会被重新整理，移动到**幸存者1**，此后**伊甸区**幸存的对象也会被移动到**幸存者1**中。这个过程除了释放内存外，还会重新整理对象的位置，把碎片空间整合起来再次利用。  
之后当**幸存者1**内存耗尽后，又会把剩余对象移动到**幸存者0**中。如此反复。  
只有当一个幸存者区无法接收伊甸区和另一个幸存者区的对象时，或者反复15次之后依然存活的对象，才会被移动到**老年代**中。接下来**新生代**的垃圾回收都不会影响到**老年代**的对象。  
可以看出**新生代**会经常触发垃圾回收机制，但开销不大，只需要清理整个堆内存的不到三分之一。  
只有当**老年代**内存耗尽时，才会触发**老年代**的垃圾回收。此时会清理**老年代**的堆内存，以便接收从**新生代**过来的新对象。

对象移动到老年代的情况还有另外一种情况：当创建对象太大，如很长的字符串，或者很长的数组，会占用新生代很大的空间，此时会直接移动到老年代，哪怕他很快就会失去引用。  
俗称**大对象：指需要大量连续内存空间的java对象**。  
因此我们应尽量避免大对象，这有可能导致Full GC的发生。

#### 三、垃圾回收算法 ####

##### 标记清理法 #####

从根集合触发，对可以引用到的对象进行标记，一直到叶子节点为止。所有无法被引用的对象视为失效对象。进行清理。

##### 复制算法 #####

从根集合触发，对可以引用到的对象进行标记，一直到叶子节点为止。将有效对象复制后移动到一块新的内存中。放弃旧内存区域。  
这种方法可以清理碎片化空间再次利用。

这两种算法可以相互比较，  
标记清理法针对无效对象进行清理，因此无效对象少时，效率更高。  
复制算法针对有效对象进行复制，直接放弃旧内存空间，因此有效对象少时，效率更高。  
因此复制算法应用在新生代，标记清理法应用在老年代。

##### 标记整理法 #####

在标记清理法的基础上整理有效对象的位置，使得可以清理碎片化空间再次利用。使标记清理法的优化版。

JVM中垃圾回收方法分为两种：**Minor GC**和**Full GC**。

##### Minor GC #####

只清理新生代的垃圾。  
发生条件：伊甸区无法为新对象分配内存时。

##### Full GC #####

清理整个堆的垃圾。  
发生条件：**老年代**无法为**新生代**传递过来的对象分配内存时。或者方法区无法分配内存时。以及显示调用`System.gc()`时

**Full GC执行时会停止响应程序的所有请求**，因此因尽量避免Full GC以及减小Full GC的执行时间。

#### 四、常用JVM配置参数 ####

\-Xms 最小堆内存  
\-Xmx 最大堆内存  
\-Xmn 年轻代大小  
\-XX:PretenureSizeThreshold 对象如果大于或等于此值,会直接分配到老年代  
例：  
`-Xms128m -Xmx128m -Xmn54m`  
其他，自行百度。

**参考资料：**

[官方文档][Link 1]

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[Link 1]: https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/index.html