面試中問到“內(nèi)存模型”，通常是考察Java內(nèi)存結(jié)構(gòu)和GC，而不是Happens-Before等更深入、細(xì)致的內(nèi)容。內(nèi)存模型是考察coder對(duì)一門語言的理解能力，從而進(jìn)一步延伸到對(duì)JVM優(yōu)化，和平時(shí)學(xué)習(xí)的深度上，是Java面試中最重要的一部分。這里整理了內(nèi)存結(jié)構(gòu)和GC的知識(shí)點(diǎn)，Happens-Before模型預(yù)計(jì)在以后學(xué)習(xí)過JVM過再來整理。
如果把內(nèi)存模型看做一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，那么面試中考察的重點(diǎn)分為內(nèi)存結(jié)構(gòu)和GC，不過有時(shí)候會(huì)單獨(dú)問到GC，另外大問題分解為小問題也方便理解。
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內(nèi)存結(jié)構(gòu)
內(nèi)存結(jié)構(gòu)簡介
JVM的內(nèi)存結(jié)構(gòu)大概分為：
- 堆（heap）：線程共享，所有的對(duì)象實(shí)例以及數(shù)組都要在堆上分配?；厥掌髦饕芾淼膶?duì)象。
- 方法區(qū)（MEATHOD AREA）：線程共享，存儲(chǔ)類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼。
- 方法棧（JVM Stack）：線程私有、存儲(chǔ)局部變量表、操作棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口，對(duì)象指針。
- 本地方法棧（NATIVE METHOD STACK）：線程私有。為虛擬機(jī)使用到的Native 方法服務(wù)。如Java使用c或者c++編寫的接口服務(wù)時(shí)，代碼在此區(qū)運(yùn)行。
- PC寄存器（PC Register）：線程私有。指向下一條要執(zhí)行的指令。
各區(qū)域詳細(xì)說明
在Java的內(nèi)存結(jié)構(gòu)中，我們重點(diǎn)關(guān)注的是堆和方法區(qū)。
堆
堆的作用是存放對(duì)象實(shí)例和數(shù)組。從結(jié)構(gòu)上來分，可以分為新生代和老生代。而新生代又可以分為Eden 空間、From Survivor 空間（s0）、To Survivor 空間（s1）。 所有新生成的對(duì)象首先都是放在年輕代的。需要注意，Survivor的兩個(gè)區(qū)是對(duì)稱的，沒先后關(guān)系，所以同一個(gè)區(qū)中可能同時(shí)存在從Eden復(fù)制過來 對(duì)象，和從前一個(gè)Survivor復(fù)制過來的對(duì)象，而復(fù)制到年老區(qū)的只有從第一個(gè)Survivor去過來的對(duì)象。而且，Survivor區(qū)總有一個(gè)是空的。
控制參數(shù)
-Xms設(shè)置堆的最小空間大小。-Xmx設(shè)置堆的最大空間大小。-XX:NewSize設(shè)置新生代最小空間大小。-XX:MaxNewSize設(shè)置新生代最小空間大小。
垃圾回收
此區(qū)域是垃圾回收的主要操作區(qū)域。
異常情況
如果在堆中沒有內(nèi)存完成實(shí)例分配，并且堆也無法再擴(kuò)展時(shí)，將會(huì)拋出OutOfMemoryError 異常。
方法區(qū)
方法區(qū)（Method Area）與Java 堆一樣，是各個(gè)線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存儲(chǔ)已被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。雖然Java 虛擬機(jī)規(guī)范把方法區(qū)描述為堆的一個(gè)邏輯部分，但是它卻有一個(gè)別名叫做Non-Heap（非堆），目的應(yīng)該是與Java 堆區(qū)分開來。
很多人愿意把方法區(qū)稱為“永久代”（Permanent Generation），本質(zhì)上兩者并不等價(jià)，僅僅是因?yàn)镠otSpot虛擬機(jī)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)選擇把GC 分代收集擴(kuò)展至方法區(qū)，或者說使用永久代來實(shí)現(xiàn)方法區(qū)而已。對(duì)于其他虛擬機(jī)（如BEA JRockit、IBM J9 等）來說是不存在永久代的概念的。在Java8中永生代徹底消失了。
控制參數(shù)
-XX:PermSize 設(shè)置最小空間 -XX:MaxPermSize 設(shè)置最大空間。
垃圾回收
對(duì)此區(qū)域會(huì)涉及但是很少進(jìn)行垃圾回收。這個(gè)區(qū)域的內(nèi)存回收目標(biāo)主要是針對(duì)常量池的回收和對(duì)類型的卸載，一般來說這個(gè)區(qū)域的回收“成績”比較難以令人滿意。
異常情況
根據(jù)Java 虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定， 當(dāng)方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時(shí)，將拋出OutOfMemoryError。
方法棧
每個(gè)線程會(huì)有一個(gè)私有的棧。每個(gè)線程中方法的調(diào)用又會(huì)在本棧中創(chuàng)建一個(gè)棧幀。在方法棧中會(huì)存放編譯期可知的各種基本數(shù)據(jù)類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對(duì)象引用（reference 類型，它不等同于對(duì)象本身。局部變量表所需的內(nèi)存空間在編譯期間完成分配，當(dāng)進(jìn)入一個(gè)方法時(shí)，這個(gè)方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的，在方法運(yùn)行期間不會(huì)改變局部變量表的大小。
控制參數(shù)
-Xss控制每個(gè)線程棧的大小。
異常情況
在Java 虛擬機(jī)規(guī)范中，對(duì)這個(gè)區(qū)域規(guī)定了兩種異常狀況：
- StackOverflowError： 異常線程請(qǐng)求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度時(shí)拋出；
- OutOfMemoryError 異常： 虛擬機(jī)?？梢詣?dòng)態(tài)擴(kuò)展，當(dāng)擴(kuò)展時(shí)無法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存時(shí)會(huì)拋出。
本地方法棧
本地方法棧（Native Method Stacks）與虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，其
區(qū)別不過是虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行Java 方法（也就是字節(jié)碼）服務(wù)，而本地方法棧則
是為虛擬機(jī)使用到的Native 方法服務(wù)。
控制參數(shù)
在Sun JDK中本地方法棧和方法棧是同一個(gè)，因此也可以用-Xss控制每個(gè)線程的大小。
異常情況
與虛擬機(jī)棧一樣，本地方法棧區(qū)域也會(huì)拋出StackOverflowError 和OutOfMemoryError
異常。
PC計(jì)數(shù)器
它的作用可以看做是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。
異常情況
此內(nèi)存區(qū)域是唯一一個(gè)在Java 虛擬機(jī)規(guī)范中沒有規(guī)定任何OutOfMemoryError 情況的區(qū)域。
參考：
Java虛擬機(jī)詳解02----JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)
JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)
GC
簡言之，Java程序內(nèi)存主要（這里強(qiáng)調(diào)主要二字）分兩部分，堆和非堆。大家一般new的對(duì)象和數(shù)組都是在堆中的，而GC主要回收的內(nèi)存也是這塊堆內(nèi)存。
復(fù)習(xí)堆內(nèi)存模型
既然重點(diǎn)是堆內(nèi)存，我們就再看看堆的內(nèi)存模型。
堆內(nèi)存由垃圾回收器的自動(dòng)內(nèi)存管理系統(tǒng)回收。
堆內(nèi)存分為兩大部分：新生代和老年代。比例為1：2。
老年代主要存放應(yīng)用程序中生命周期長的存活對(duì)象。
新生代又分為三個(gè)部分：一個(gè)Eden區(qū)和兩個(gè)Survivor區(qū)，比例為8：1：1。
Eden區(qū)存放新生的對(duì)象。
Survivor存放每次垃圾回收后存活的對(duì)象。
關(guān)注這幾個(gè)問題：
- 為什么要分新生代和老年代？
- 新生代為什么分一個(gè)Eden區(qū)和兩個(gè)Survivor區(qū)?
- 一個(gè)Eden區(qū)和兩個(gè)Survivor區(qū)的比例為什么是8:1:1？
這幾個(gè)問題都是垃圾回收機(jī)制所采用的算法決定的。所以問題轉(zhuǎn)化為，是何種算法？為什么要采用此種算法？
判定可回收對(duì)象
在進(jìn)行垃圾回收之前，我們需要清除一個(gè)問題——什么樣的對(duì)象是垃圾（無用對(duì)象），需要被回收？
目前最常見的有兩種算法用來判定一個(gè)對(duì)象是否為垃圾。
引用計(jì)數(shù)算法
給對(duì)象中添加一個(gè)引用計(jì)數(shù)器，每當(dāng)有一個(gè)地方引用它時(shí)，計(jì)數(shù)器值就加1；當(dāng)引用失效時(shí)，計(jì)數(shù)器值就減1；任何時(shí)刻計(jì)數(shù)器為0的對(duì)象就是不可能再被使用的。
優(yōu)點(diǎn)是簡單，高效，現(xiàn)在的objective-c用的就是這種算法。
缺點(diǎn)是很難處理循環(huán)引用，比如圖中相互引用的兩個(gè)對(duì)象則無法釋放。
這個(gè)缺點(diǎn)很致命，有人可能會(huì)問，那objective-c不是用的好好的嗎？我個(gè)人并沒有覺得objective-c好好的處理了這個(gè)循環(huán)引用問題，它其實(shí)是把這個(gè)問題拋給了開發(fā)者。
可達(dá)性分析算法（根搜索算法）
為了解決上面的循環(huán)引用問題，Java采用了一種新的算法：可達(dá)性分析算法。
從GC Roots（每種具體實(shí)現(xiàn)對(duì)GC Roots有不同的定義）作為起點(diǎn)，向下搜索它們引用的對(duì)象，可以生成一棵引用樹，樹的節(jié)點(diǎn)視為可達(dá)對(duì)象，反之視為不可達(dá)。
OK，即使循環(huán)引用了，只要沒有被GC Roots引用了依然會(huì)被回收，完美！
但是，這個(gè)GC Roots的定義就要考究了，Java語言定義了如下GC Roots對(duì)象：
- 虛擬機(jī)棧（幀棧中的本地變量表）中引用的對(duì)象。
- 方法區(qū)中靜態(tài)屬性引用的對(duì)象。
- 方法區(qū)中常量引用的對(duì)象。
- 本地方法棧中JNI引用的對(duì)象。
Stop The World
有了上面的垃圾對(duì)象的判定，我們還要考慮一個(gè)問題，請(qǐng)大家做好心里準(zhǔn)備，那就是Stop The World。
因?yàn)槔厥盏臅r(shí)候，需要整個(gè)的引用狀態(tài)保持不變，否則判定是判定垃圾，等我稍后回收的時(shí)候它又被引用了，這就全亂套了。所以，GC的時(shí)候，其他所有的程序執(zhí)行處于暫停狀態(tài)，卡住了。
幸運(yùn)的是，這個(gè)卡頓是非常短（尤其是新生代），對(duì)程序的影響微乎其微 （關(guān)于其他GC比如并發(fā)GC之類的，在此不討論）。
所以GC的卡頓問題由此而來，也是情有可原，暫時(shí)無可避免。
垃圾回收
已經(jīng)知道哪些是垃圾對(duì)象了，怎么回收呢？
目前主流有以下幾種算法，目前JVM采用的是分代回收算法，而分代回收算法正是從這幾種算法發(fā)展而來。
標(biāo)記清除算法 (Mark-Sweep)
標(biāo)記-清除算法分為兩個(gè)階段：標(biāo)記階段和清除階段。標(biāo)記階段的任務(wù)是標(biāo)記出所有需要被回收的對(duì)象，清除階段就是回收被標(biāo)記的對(duì)象所占用的空間。
優(yōu)點(diǎn)：簡單實(shí)現(xiàn)。
缺點(diǎn)：容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片（碎片太多可能會(huì)導(dǎo)致后續(xù)過程中需要為大對(duì)象分配空間時(shí)無法找到足夠的空間而提前觸發(fā)新的一次垃圾收集動(dòng)作）。
復(fù)制算法 (Copying)
復(fù)制算法將可用內(nèi)存按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊。當(dāng)這一塊的內(nèi)存用完了，就將還存活著的對(duì)象復(fù)制到另外一塊上面，然后再把已使用的內(nèi)存空間一次清理掉，這樣一來就不容易出現(xiàn)內(nèi)存碎片的問題。
優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡單，運(yùn)行高效且不容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片。
缺點(diǎn)：對(duì)內(nèi)存空間的使用做出了高昂的代價(jià)，因?yàn)槟軌蚴褂玫膬?nèi)存縮減到原來的一半。
從算法原理我們可以看出，復(fù)制算法算法的效率跟存活對(duì)象的數(shù)目多少有很大的關(guān)系，如果存活對(duì)象很多，那么復(fù)制算法算法的效率將會(huì)大大降低。
標(biāo)記整理算法 (Mark-Compact)
該算法標(biāo)記階段和Mark-Sweep一樣，但是在完成標(biāo)記之后，它不是直接清理可回收對(duì)象，而是將存活對(duì)象都向一端移動(dòng)，然后清理掉端邊界以外的內(nèi)存。
優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡單，不容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片，內(nèi)存使用高效。
缺點(diǎn)：效率非常低。
所以，特別適用于存活對(duì)象多，回收對(duì)象少的情況下。
分代回收算法
以上幾種算法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，適用于不同的內(nèi)存情景。而分代回收算法根據(jù)Java的語言特性，將復(fù)制算法和標(biāo)記整理算法的的特點(diǎn)相結(jié)合，針對(duì)不同的內(nèi)存情景使用不同的回收算法。
這里重復(fù)一下兩種老算法的適用場(chǎng)景：
復(fù)制算法：適用于存活對(duì)象很少。回收對(duì)象多
標(biāo)記整理算法: 適用用于存活對(duì)象多，回收對(duì)象少
兩種算法剛好互補(bǔ)，不同類型的對(duì)象生命周期決定了更適合采用哪種算法。
于是，我們根據(jù)對(duì)象存活的生命周期將內(nèi)存劃分為若干個(gè)不同的區(qū)域。一般情況下將堆區(qū)劃分為老年代（Old Generation）和新生代（Young Generation），老年代的特點(diǎn)是每次垃圾收集時(shí)只有少量對(duì)象需要被回收，使用標(biāo)記整理算法，而新生代的特點(diǎn)是每次垃圾回收時(shí)都有大量的對(duì)象需要被回收，復(fù)制算法，那么就可以根據(jù)不同代的特點(diǎn)采取最適合的收集算法。
現(xiàn)在回頭去看堆內(nèi)存為什么要?jiǎng)澐中律屠夏甏?，是不是覺得如此的清晰和自然了？
具體來看：
- 對(duì)于新生代，雖然采取的是復(fù)制算法，但是，實(shí)際中并不是按照上面算法中說的1：1的比例來劃分新生代的空間，而是將新生代劃分為一塊較大的Eden空間和兩塊較小的Survivor空間，比例為8：1：1。為什么？下一節(jié)深入分析。
- 老年代的特點(diǎn)是每次回收都只回收少量對(duì)象，這符合一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)的主要特征——超過一半的對(duì)象會(huì)長期駐留在內(nèi)存中。所以老年代的比例要大于新生代，默認(rèn)的新生代：老年代的比例為1：2。
這就是分代回收算法。
深入理解分代回收算法
對(duì)于這個(gè)算法，我相信很多人還是有疑問的，我們來各個(gè)擊破，說清楚了就很簡單。
為什么不是一塊Survivor空間而是兩塊？
這里涉及到一個(gè)新生代和老年代的存活周期的問題，比如一個(gè)對(duì)象在新生代經(jīng)歷15次（僅供參考）GC，就可以移到老年代了。問題來了，當(dāng)我們第一次GC的時(shí)候，我們可以把Eden區(qū)的存活對(duì)象放到Survivor A空間，但是第二次GC的時(shí)候，Survivor A空間的存活對(duì)象也需要再次用Copying算法，放到Survivor B空間上，而把剛剛的Survivor A空間和Eden空間清除。第三次GC時(shí)，又把Survivor B空間的存活對(duì)象復(fù)制到Survivor A空間，如此反復(fù)。
所以，這里就需要兩塊Survivor空間來回倒騰。
為什么Eden空間這么大而Survivor空間要分的少一點(diǎn)？
新創(chuàng)建的對(duì)象都是放在Eden空間，這是很頻繁的，尤其是大量的局部變量產(chǎn)生的臨時(shí)對(duì)象，這些對(duì)象絕大部分都應(yīng)該馬上被回收，能存活下來被轉(zhuǎn)移到survivor空間的往往不多。所以，設(shè)置較大的Eden空間和較小的Survivor空間是合理的，大大提高了內(nèi)存的使用率，緩解了Copying算法的缺點(diǎn)。
我看8：1：1就挺好的，當(dāng)然這個(gè)比例是可以調(diào)整的，包括上面的新生代和老年代的1：2的比例也是可以調(diào)整的。
新的問題又來了，從Eden空間往Survivor空間轉(zhuǎn)移的時(shí)候Survivor空間不夠了怎么辦？直接放到老年代去。
Eden空間和兩塊Survivor空間的工作流程
這里本來簡單的Copying算法被劃分為三部分后很多朋友一時(shí)理解不了，也確實(shí)不好描述，下面我來演示一下Eden空間和兩塊Survivor空間的工作流程。
現(xiàn)在假定有新生代Eden，Survivor A， Survivor B三塊空間和老生代Old一塊空間。
// 分配了一個(gè)又一個(gè)對(duì)象
放到Eden區(qū)
// 不好，Eden區(qū)滿了，只能GC(新生代GC：Minor GC)了
把Eden區(qū)的存活對(duì)象copy到Survivor A區(qū)，然后清空Eden區(qū)（本來Survivor B區(qū)也需要清空的，不過本來就是空的）
// 又分配了一個(gè)又一個(gè)對(duì)象
放到Eden區(qū)
// 不好，Eden區(qū)又滿了，只能GC(新生代GC：Minor GC)了
把Eden區(qū)和Survivor A區(qū)的存活對(duì)象copy到Survivor B區(qū)，然后清空Eden區(qū)和Survivor A區(qū)
// 又分配了一個(gè)又一個(gè)對(duì)象
放到Eden區(qū)
// 不好，Eden區(qū)又滿了，只能GC(新生代GC：Minor GC)了
把Eden區(qū)和Survivor B區(qū)的存活對(duì)象copy到Survivor A區(qū)，然后清空Eden區(qū)和Survivor B區(qū)
// ...
// 有的對(duì)象來回在Survivor A區(qū)或者B區(qū)呆了比如15次，就被分配到老年代Old區(qū)
// 有的對(duì)象太大，超過了Eden區(qū)，直接被分配在Old區(qū)
// 有的存活對(duì)象，放不下Survivor區(qū)，也被分配到Old區(qū)
// ...
// 在某次Minor GC的過程中突然發(fā)現(xiàn)：
// 不好，老年代Old區(qū)也滿了，這是一次大GC(老年代GC：Major GC)
Old區(qū)慢慢的整理一番，空間又夠了
// 繼續(xù)Minor GC
// ...
// ...
觸發(fā)GC的類型
了解這些是為了解決實(shí)際問題，Java虛擬機(jī)會(huì)把每次觸發(fā)GC的信息打印出來來幫助我們分析問題，所以掌握觸發(fā)GC的類型是分析日志的基礎(chǔ)。
-
GC_FOR_MALLOC: 表示是在堆上分配對(duì)象時(shí)內(nèi)存不足觸發(fā)的GC。 -
GC_CONCURRENT: 當(dāng)我們應(yīng)用程序的堆內(nèi)存達(dá)到一定量，或者可以理解為快要滿的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)GC操作來釋放內(nèi)存。 -
GC_EXPLICIT: 表示是應(yīng)用程序調(diào)用System.gc、VMRuntime.gc接口或者收到SIGUSR1信號(hào)時(shí)觸發(fā)的GC。 -
GC_BEFORE_OOM: 表示是在準(zhǔn)備拋OOM異常之前進(jìn)行的最后努力而觸發(fā)的GC。
參考：
本文鏈接：Java內(nèi)存模型
作者：猴子007
出處：https://monkeysayhi.github.io
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