JVM内存模型

一、JVM位置

二、jdk1.8 JVM内存模型

01、与1.7的区别

• 1.8之前有个方法区，是堆内存的逻辑分区，只要存储虚拟机加载的类信息，常量，静态变量，以及编译后的代码。为了与堆做区分，方法区也叫“非堆”,也有人叫“永久代来标识方法区。

• 1.8中，方法区已经不存在了。元数据区取代了永久代（主要存放Class和Meta的信息），并在本地内存中，而不是虚拟机中。

• String常量池从方法区的运行时常量池分离到堆中；

• 元空间大小收本地内存影响，但可以通过==-XX:MetaspaceSize和-XX:MaxMetaspaceSize==来指定元空间的大小；

02、程序计数器（线程私有，无垃圾回收）

• 可以看做当前线程所执行的字节码的行号指示器，如果是native方法，值为null。

• 多线程执行时，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都有一个独立的程序计数器（也叫线程私有）。

• 是虚拟机中唯一没有OOM情况的区域。

03、JAVA虚拟机栈（线程私有，有垃圾回收）

• 栈帧（frame）： 局部变量表，操作数栈，动态链接、方法出口
  

• 随着线程的创建而创建，销毁而销毁，类似桶，先进后出， 每一个方法从调用到执行完成的过程，就是栈帧入栈和出栈的过程

• 垃圾回收：深度（StackOverflowError）和宽度 (OOM)

03、本地方法栈（线程私有，有垃圾回收）

用于管理Native本地方法，在Hotspot虚拟机中，不区分虚拟机栈和本地方法栈，是在一起的。异常也一样。

04、 堆（线程共享，垃圾回收主要位置）

• 是被所有线程共享的一块区域，几乎所有对象和数组都在堆空间中分配空间；

• 新生代： 对象诞生和成长的地方，甚至死亡

  • eden(伊甸园区)：所有的对象都是在eden区new出来的
  • survivor space0 或者from space（幸存0区)
  • survivor space1 或者 to space （幸存1区)

  幸存区存在的意义：减少被送到老年代的对象，进而减少Full GC的发生。

• 老年代： tenured

• 占比默认值(可通过参数分配)：

  • 老年代：2/3的堆空间
  • 年轻代：1/3的堆空间
    • eden区：8/10 的年轻代
    • survivor0: 1/10 的年轻代
    • survivor1:1/10的年轻代

• 为什么要区分代：

  • 将对象根据存活概率进行分类，存活时间长的放入固定去，减少扫描垃圾时间及GC频率
  • 针对分类进行不同的GC算法，对算法扬长避短，选择最优算法

GC回收见后面详解；

05、 元空间与永久代

• 【重点】本质区别： 元空间-本地内存 永久代-jvm内存

元空间代替永久代的原因：
  1、永久代被垃圾回收的记录相对较小，用元空间将永久代和堆彻底分开，可以减少垃圾回收扫描对象的时间开销；降低gc的负责度；
  2、类和方法难以确定大小，本地内存比jvm内存更大，不容易OOM;

• 存了什么： 静态变量，常量，加载的类信息，动态编译的代码；
• 回收条件

常量： 没用了就回收
类：  1.该类的所有实例都被回收； 
     2. 加载该类的类加载器被回收； 
     3. 该类对应的class对象没用任何地方被引用；

06、直接内存

jdk1.4引入NIO, 他可以直接使用Native函数库直接分配堆外内存

三、垃圾回收 GC过程

01、GC的种类

• Minor GC或者Young GC： 从年轻代回收内存,当eden区满了，触发，也叫轻GC
• Major GC: 清理老年代
• Full GC: 清理整个堆内存，包括年轻代和老年代

02、GC触发条件

• 程序调用System.gc()手动触发
• 系统自动决定GC触发时机 (根据eden和s0区的内存大小决定，内存不足时，会启动GC)

03、可达性分析

• 作用：判断一个对象是否存活，GC时用来标记对象

• 原理： 从GC Roots的对象开始向下搜索，如果一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，说明不可达或者说没用的，但是不代表就会被回收，不可达对象到可回收对象需要至少2次被标记，2次标记后将面临被回收。

• 第一次标记：如果对象在进行可达性分析后发现没有与GC Roots相连接的引用链，那它将会被第一次标记；

  第二次标记：第一次标记后接着会进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法。在finalize()方法中没有重新与引用链建立关联关系的，将被进行第二次标记。第二次标记成功的对象将真的会被回收，如果对象在finalize()方法中重新与引用链建立了关联关系，那么将会逃离本次回收。

04、GC过程

图解过程参考：05 分代收集算法

1. 我们创建的对象会优先在Eden分配，如果是大对象（很长的字符串数组）、长期存活的对象则可以直接进入老年代。

2. 当Eden填满时，需要回收，回收时先将Eden区存活对象复制到一个s0区，然后清空eden区，继续分配，当Eden又填满时，则将Eden和s0区存活对象复制到另一个s1区，然后清空eden和这个s0区，如此反复 （S0和S1来回交换）。

   – 注意：To survivor区永远都是空，这实际上是垃圾回收算法——复制算法在年轻代的实际应用

3. 当对象在 Survivor 区躲过一次Minor GC 后，其年龄就会+1，新生代GC会反复发生，长寿对象会在S0和S1之间反复交换，年龄也会越来越大，当对象达到年龄上限时，会被晋升到老年代。这个年龄上限默认是15，可以通过参数-XX:MaxTenuringThreshold设置。如下图，有些年轻代对象年龄达到了上限15，被转移到了老年代。

   – 默认是15次，可以通过-XX:PretenrueSizeThreshold调整次数

4. 对象优先在Eden中分配，当E区中没有足够空间时，虚拟机将发生一次Minor GC，因为Java大多数对象都是朝生夕灭，所以Minor GC非常频繁，而且速度也很快。当养老区内存不足时,再次触发 Major GC,进行养老区的内存清理，处理完还不足时，会产生Full GC，当执行Full GC后空间仍然不足，则抛出如下错误Java.lang.OutOfMemoryError。

05、GC常用算法

1. 标记-清除算法

   • 第一阶段：标记对象存活还是死亡；

   • 第二阶段：清除死亡对象；

   • 优点：活着的对象找到1个引用即可，清除时没有复制操作，不移动对象的位置

   • 缺点： 所有对象都要扫描，没有移动对象可能会出现很多碎片空间无法利用

2. 标记-压缩算法（标记-整理算法）

   标记清除的改进版

   • 第一阶段：标记对象存活还是死亡；
   • 第二阶段：不是直接清理，而是将所有存活的对象整理一下放到连续的内存空间，然后把剩下死亡的对象清除；
   • 优点：不会有大量的碎片空间；
   • 缺点：存活对象过多的时候，会有很多复制移动的过程，算法效率降低；

3. 复制算法

   • 将内存一分为二，每次只用一半的内存，当这一半的内存满了，将内存中所有存活的对象复制到另一半内存中；
   • 将之前的内存全部清空，循环使用；
   • 优点：不会有大量的碎片空间；
   • 缺点：每次运行，总有一半内存是空的，浪费空间；

4. 分代收集算法（上面04介绍的过程，也是jvm现在gc用的算法）

   • 第一阶段： E区满了，触发Young GC , 不可回收对象从E复制到from，并标记+1，可回收的直接被回收掉；Eden清空；

• 第二阶段： E区继续创建对象，再次满了，触发Young GC, 不可回收对象从E和from复制到to，并标记+1，可回收的直接被回收掉；Eden清空，from清空； 这是 from转变为to， to转变为from。 （总之就是to区一直没数据）；

• 第三阶段：经过若干次Young GC后，有些对象在from和to来回游荡，被标记了15次还没被回收，恭喜，可以进入老年代了；

• 第四阶段： 老年代经过一段时间空间也被用完了，触发Full GC ,全量回收；

• 第五阶段： Full GC后还不够 ，OOM内存溢出；

四、内存分配参数

01、大小分配

• 最大堆内存： -Xmx （memory max） 新生代+老年代之和最大值

• 最小堆内存： -Xms (memory start) 一般会设置-Xmx一样大小，首先被分配的内存大小，触及到大小时，会触发Full GC

• 新生代： -Xmn (memory new) 新生代和影响老年代的大小，一般设置堆内存的1/3或1/4左右

• 元空间： -XX:MetaspaceSize和 -XX:MaxMetaspaceSize 初始大小和最大值

• 每个线程堆栈：-Xss (stack start) 函数调用时开辟栈空间

02、比例分配

• 新生代eden和s0的比例： -XX:SurvivorRatio
• 新生代和老年代的比例： -XX:NewRatio
• survivor使用率： -XX:TargetSurvivorRatio，设置使用率，当达到数值会送入老年代，默认15次
• 新生代存活次数： -XX:MaxTenuringThreshold ,在新生代中对象存活次数（Minor GC）仍然存活，就会进入老年代
• 直接进入老年代：-XX:PretenrueSizeThreshold，设置大对象超过这个阈值直接进入老年代
• 堆空闲比例：-XX:MinHeapFreeRatio与-XX:MaxHeapFreeRatio,当堆空间的空闲内存大于/小于对应值，JVM会扩展/压缩
• 元空间空闲比例： -XX:MinMetaspaceFreeRatio与-XX:MaxMetaspace，Metaspace GC后，用来扩展/压缩元空间大小

03、打印

• 打印堆实际大小： -XX:PrintGCDetails

五、常见调优方法

01、 将新对象预留在新生代

• 分配合理的新生代空间，最大限度避免新对象直接进入老年代

• -Xmn，-XX:NewRatio，-XX:SurvivorRatio

02、大对象直接进入老年代

• 尽量避免用短命大对象，大对象直接进入老年代
• -XX:PretenrueSizeThreshold

03、设置进入老年代标记次数

• 默认值是15但是不一定是15，根据虚拟机内存动态计算的，可以参数指定阈值最大标记次数
• -XX:MaxTenuringThreshold

04、 稳定与震荡堆大小

• 稳定的堆大小对垃圾回收是有利的，方式就是 -Xmx和-Xms设置成一样的
• 当系统不需要大内存是，让堆大小在一个区间震荡，可以加快单次GC速度 -XX:MinHeapFreeRatio，-XX:MaxHeapFreeRatio

05、吞吐量优先

• -Xms与-Xmx一致，
• 使用-XX:+UseParallelGC新生代使用并行回收收集器并设置线程数
• -XX:UseParallelOldGC老年代也使用并行回收收集器

06、使用大页

• -XX:LargePageSizeInBytes设置大页的大小，使用大的内存分页可以增强CPU的内存寻址能力，从而提高系统性能