弄清JVM(Java Virtual Machine)的內(nèi)存管理模型對(duì)了解java GC工作原理是很有必要的。最近正好看到一篇文檔寫的不錯(cuò)，介紹了Java內(nèi)存管理的處理方式，包括JVM內(nèi)存分配各個(gè)區(qū)域的含義，以及如何監(jiān)測(cè)協(xié)調(diào)GC工作。翻譯后在此記錄。
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內(nèi)存分配區(qū)域

圖片來源網(wǎng)絡(luò)

如上圖所示，JVM內(nèi)存被分成了幾個(gè)區(qū)域，粗略的看JVM的堆內(nèi)存分成了兩塊區(qū)域----新生域，年老域。

新生域內(nèi)存管理

剛創(chuàng)建的新對(duì)象會(huì)被分配到新生域。當(dāng)新生域使用殆盡，GC就開始工作了。這種狀況下促發(fā)的GC被稱作次級(jí)GC(Minor GC)。而新生域又被分成三個(gè)部分

Eden Memory.就像是上帝(JVM)劃分出來的伊甸園區(qū)域，可以想象剛生成的對(duì)象在這里快快樂樂的生活著。
兩個(gè)Survivor Memory(幸存域),也就是上圖中的S0和S1區(qū)域。

新生域的主要特性：

大多數(shù)新創(chuàng)建的對(duì)象都被分配到了Eden Memory
當(dāng)Eden Memory被新分配的對(duì)象填充滿時(shí)，次級(jí)GC開始工作，幸存下來的對(duì)象被移到其中一個(gè)Survivor Memory(幸存域)。
次級(jí)GC會(huì)同時(shí)檢查Survivor Memory(幸存域)，將其中一個(gè)Survivor Memory(幸存域)中的對(duì)象移到另一個(gè)Survivor Memory(幸存域)，保證一個(gè)Survivor Memory(幸存域)為空。
當(dāng)一個(gè)對(duì)象經(jīng)過次級(jí)GC多次掃描后，依然幸存，那么它就會(huì)被移到年老域(Old generation).JVM會(huì)設(shè)置一個(gè)閥值，當(dāng)一個(gè)對(duì)象被次級(jí)GC掃描過的次數(shù)達(dá)到這個(gè)閥值，而這個(gè)對(duì)象依然幸存，則該對(duì)象就被移到年老域(Old generation)。

年老域內(nèi)存管理

年老域的內(nèi)存存放的是一些長(zhǎng)生命周期和被次級(jí)GC多次掃描依然幸存下來的對(duì)象。GC在年老域內(nèi)存吃緊的情況下開始工作，這種GC稱為主級(jí)GC(Major GC),通常主級(jí)GC消耗的時(shí)間更長(zhǎng)。

世界暫停事件（Stop the World Event）

次級(jí)GC和主級(jí)GC開始工作時(shí)，應(yīng)用線程就會(huì)停下來，因此整個(gè)Java程序也就會(huì)處于停止?fàn)顟B(tài)，這種情況就是"Stop the World Event"。

新生域存放的是短生命周期的對(duì)象，因而次級(jí)GC的這個(gè)過程會(huì)很快結(jié)束，在程序看來幾乎不受影響。

主級(jí)GC需要掃描所有的幸存對(duì)象，因而它花費(fèi)的時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)。一旦主級(jí)GC工作，應(yīng)用程序就會(huì)暫停下來，直觀感受就是程序不夠流暢，無法快速響應(yīng)業(yè)務(wù)事件處理，主級(jí)GC運(yùn)行次數(shù)過多，甚至?xí)l(fā)程序的超時(shí)錯(cuò)誤。要想應(yīng)用程序跑的流暢，就得少去促發(fā)主級(jí)GC工作，要少促發(fā)主級(jí)GC工作，就得盡可能的保證年老域的內(nèi)存空間不被填充滿。所以這提醒我們一定要珍惜內(nèi)存空間，尤其在Android移動(dòng)設(shè)備上。

不同的GC策略會(huì)影響GC工作消耗的時(shí)長(zhǎng)。為了讓應(yīng)用程序運(yùn)行流暢度最優(yōu)，就有必要根據(jù)應(yīng)用程序的運(yùn)行場(chǎng)景運(yùn)用不同的GC策略。

持久域（Permanent Generation）

JVM通過元數(shù)據(jù)(metadata)來記錄應(yīng)用程序的類和方法，這些元數(shù)據(jù)就被放在持久域就，另外Java公共的庫文件和方法也被放在這里，持久域不屬于堆內(nèi)存。在內(nèi)存滿時(shí)該塊內(nèi)存中的對(duì)象也可能被回收。Java8中已經(jīng)刪除該區(qū)域。

方法域(Method Area)

方法域?qū)儆诔志糜蛑械囊粔K，它被用來存放定義方法的代碼和類文件結(jié)構(gòu)。

內(nèi)存池(Memory Pool)

內(nèi)存池由JVM創(chuàng)建出來存放不可變對(duì)象，比如String，它可能在堆內(nèi)存分配也可能在持久域分配，這取決于JVM的內(nèi)存管理機(jī)制。

運(yùn)行時(shí)常量池（ Runtime Constant Pool）

運(yùn)行時(shí)常量池用于存放編譯期生成的各種字面量和符號(hào)引用以及靜態(tài)方法，這部分內(nèi)容將在類加載后存放，它屬于方法域的一部分。

棧內(nèi)存(Stack Memory)

棧內(nèi)存被執(zhí)行線程所用。它用來存放方法內(nèi)的變量，這些變量通常是一些指向堆內(nèi)存對(duì)象的引用，它們生命周期短。

堆內(nèi)存調(diào)節(jié)器（Heap Memory Switches）

VM SWITCH	VM SWITCH DESCRIPTION
-Xms	初始堆內(nèi)存大小
-Xmx	最大堆內(nèi)存
-Xmn	新生域大小,余下空間就是年老域
-XX:PermGen	設(shè)置持久域(Permanent Generation)大小
-XX:MaxPermGen	最大持久域
-XX:SurvivorRatio	伊甸園(Eden space)和幸存者(Survivor Space)比值, 比如新生域共分配了10M,-XX:SurvivorRatio=2,那么Eden Space就占5M，余下的5M被兩個(gè)Survivor spaces均分。默認(rèn)值為8。
-XX:NewRatio	年老域和新生域比值，默認(rèn)為2，也就是說年老域大小是新生域大小的2倍

Java提供了許多設(shè)置內(nèi)存大小以及各個(gè)內(nèi)存域占比大小的調(diào)節(jié)器。常用的調(diào)節(jié)器如下：

VM SWITCH	VM SWITCH DESCRIPTION
-Xms	初始堆內(nèi)存大小
-Xmx	最大堆內(nèi)存
-Xmn	新生域大小,余下空間就是年老域
-XX:PermGen	設(shè)置持久域(Permanent Generation)大小
-XX:MaxPermGen	最大持久域
-XX:SurvivorRatio	伊甸園(Eden space)和幸存者(Survivor Space)比值, 比如新生域共分配了10M,-XX:SurvivorRatio=2,那么Eden Space就占5M，余下的5M被兩個(gè)Survivor spaces均分。默認(rèn)值為8。
-XX:NewRatio	年老域和新生域比值，默認(rèn)為2，也就是說年老域大小是新生域大小的2倍

更詳細(xì)的調(diào)節(jié)器配置信息請(qǐng)查看JVM Options Official Page。

垃圾回收器

GC(Garbage Collection)是一個(gè)進(jìn)程，它專注于標(biāo)示和清理沒有引用的對(duì)象，釋放內(nèi)存空間給新分配的對(duì)象騰地方住。其他某些語言這個(gè)過程都是程序猿自己實(shí)現(xiàn)的，而Java自動(dòng)完成了這個(gè)過程。

GC作為一個(gè)后臺(tái)進(jìn)程，一直默默監(jiān)察著應(yīng)用程序的運(yùn)行過程，尋找--->標(biāo)記-->釋放那些沒有引用到的對(duì)象，為新對(duì)象騰空間。
典型的GC處理涉及到的過程如下：

標(biāo)記：GC標(biāo)記哪些對(duì)象在使用，哪些對(duì)象沒有地方使用
正常刪除：GC刪除無用的對(duì)象所占有的空間，這些空間可以被其他存活的對(duì)象所使用
刪除后匯集：為了提升性能，刪除無用對(duì)象后，所有幸存對(duì)象被匯集在一起，如此新對(duì)象分配內(nèi)存時(shí)效率會(huì)更高。

上述過程可能存在如下問題：

大多數(shù)新創(chuàng)建的對(duì)象都是很快就變?yōu)闊o用的，而GC的運(yùn)行頻率又不宜過高，針對(duì)這種caseGC顯得不夠高效。
長(zhǎng)生命周期的對(duì)象也會(huì)被GC多次掃描標(biāo)記。

正是為了規(guī)避上述問題，Java將堆內(nèi)存劃分成了不同的區(qū)域，也就是之前提到的新生域和年老域。

GC類型

垃圾回收策略共有5種類型，根據(jù)應(yīng)用程序業(yè)務(wù)場(chǎng)景的不同，可以設(shè)置差異化的內(nèi)存調(diào)節(jié)器。

Serial GC (-XX:+UseSerialGC): Serial GC 采用簡(jiǎn)單的標(biāo)記-清楚-整理策略。比如副線GC和主線GC的模式，Serial GC 針對(duì)小型CPU上運(yùn)行的簡(jiǎn)單應(yīng)用很實(shí)用，特別是那些低內(nèi)存設(shè)備上運(yùn)行的小型應(yīng)用。
Parallel GC (-XX:+UseParallelGC): Parallel GC 和Serial GC 很類似，但它可以有N個(gè)線程去處理新生域上的GC回收工作，這里的N值對(duì)應(yīng)CPU的核數(shù)?？梢杂?br> -XX:ParallelGCThreads=n 選項(xiàng)去設(shè)定。
Parallel GC 也是采用單線程模式在年老域上進(jìn)行GC工作的。
Parallel Old GC (-XX:+UseParallelOldGC): 和Parallel GC類似，但該種配置可以采用多線程GC來處理年老域上的GC工作。
Concurrent Mark Sweep (CMS) Collector (-XX:+UseConcMarkSweepGC): 因?yàn)镃MS不會(huì)整理、壓縮堆空間，帶來的好處就是GC工作時(shí)暫停的時(shí)間很短暫，.它作用在年老域上,和工作線程并發(fā)執(zhí)行。針對(duì)新生域上的內(nèi)存處理，它采用的是Parallel GC的處理方式。該GC策略適用需要實(shí)時(shí)快速響應(yīng)的應(yīng)用程序上?？梢酝ㄟ^
-XX:ParallelCMSThreads=n
來設(shè)置CMS的線程數(shù)。
G1 Garbage Collector (-XX:+UseG1GC): G1 Garbage Collector是Java 7新加入的，其目的是用了代替CMS回收策略. 它同樣是并發(fā)執(zhí)行，但會(huì)逐步壓縮堆空間。
Garbage First Collector不用于其他其中GC策略，它沒有新生域年老域的概念。對(duì)它而言，堆內(nèi)存會(huì)被分成多個(gè)相同大小的區(qū)域，GC運(yùn)行，首先回收無用對(duì)象最多的小區(qū)域。Garbage-First Collector Oracle Documentation有更詳細(xì)的說明。

GC監(jiān)測(cè)

可以用命令行或者可視化工具監(jiān)測(cè)應(yīng)用程序背后的GC運(yùn)行情況。這里我用自己寫的一段簡(jiǎn)單測(cè)試代碼，用命令行來進(jìn)行GC監(jiān)控.
先看測(cè)試代碼，在一個(gè)10次的循環(huán)結(jié)構(gòu)中，每次去申請(qǐng)一個(gè)10M大小的空間，這里忽略掉string申請(qǐng)的空間。

package com.azhengye.test;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            String string = "i="+i;
            byte[] bt = new byte[1024*1024*10];
            System.out.print(string);
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

我們?cè)诿钚欣锞幾g運(yùn)行.

這里寫圖片描述

可以看到程序運(yùn)行正常。
接下來參考之前介紹的內(nèi)存調(diào)節(jié)器，我們?cè)谶\(yùn)行時(shí)加上一些參數(shù)。

這里寫圖片描述

問題出來了。
前兩次我們配置Xms為2m，運(yùn)行時(shí)爆出錯(cuò)誤提示了初始堆內(nèi)存過小。在最后一次將Xms設(shè)置為10m該錯(cuò)誤消失，但卻爆出了我們常見的OOM問題。

這個(gè)簡(jiǎn)單的例子就說明Java提供的這種內(nèi)存調(diào)節(jié)器作用，在某些應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)，我們要根據(jù)不同的場(chǎng)景，配置不同的運(yùn)行參數(shù)。

jstat命令行監(jiān)測(cè)內(nèi)存

JDK提供了jstat命令用了監(jiān)測(cè)JVM內(nèi)存使用情況以及GC運(yùn)行狀態(tài)。
其使用規(guī)則如下：

jstat -gc <processid> <time>

進(jìn)程id可以通過ps命令查看到

192:~/Documents/eclipse_workspace/DemoTestJava $ ps -eaf | grep java
501 2538 1956 0 11:41下午 ttys000 0:02.50 /usr/bin/java -Xmx20m -Xms10m -Xmn3m -XX:PermSize=2m -XX:MaxPermSize=4m -XX:+UseSerialGC -cp bin/ com.azhengye.test.Test
501 2540 1613 0 11:41下午 ttys001 0:00.00 grep java

有了進(jìn)程號(hào)，在用jstat命令查看詳細(xì)的內(nèi)存使用情況,每隔1s打印一次內(nèi)存情況。

jstat -gc 2538 1s

這里寫圖片描述

對(duì)照上圖介紹下每一欄的含義。

S0C and S1C: 兩個(gè)幸存域的大小，之前介紹過它們總是相等的。這里也可以印證。它們的大小均為256KB.
S0U and S1U: 兩個(gè)幸存域已經(jīng)使用的大小。
EC and EU: 伊甸園區(qū)域的內(nèi)存大小和已經(jīng)占用的內(nèi)存大小，副線GC運(yùn)行后EU大小就會(huì)減少。
OC and OU: 年老域內(nèi)存大小和已經(jīng)被使用的內(nèi)存大小。
PC and PU: Perm Gen內(nèi)存大小和已經(jīng)被使用的內(nèi)存大小。
YGC and YGCT: YGC 表示副線GC運(yùn)行的次數(shù)，YGCT表示副線GC所消耗的時(shí)間。
FGC and FGCT: FGC 表示主線GC運(yùn)行次數(shù). 相應(yīng)的FGCT打印的是主線GC消耗的時(shí)間.
GCT: 副線GC和主線GC消耗時(shí)間總和。

jvisualvm可視化監(jiān)測(cè)

JDK同樣提供了jvisualvm可視化的監(jiān)測(cè)工具，首次打開需要先安裝Visual GC 插件。下圖是我截取的界面，功能比較多，這里不做過多介紹了。

這里寫圖片描述

內(nèi)存和GC調(diào)整

這一步輕易不要走，程序運(yùn)行的優(yōu)化更多的注意了應(yīng)該放在軟件實(shí)現(xiàn)上。除非很明顯的定位到程序運(yùn)行受到了GC的拖累，或者確實(shí)需要調(diào)整內(nèi)存的分配情況才能讓程序運(yùn)行起來最佳。
下面是幾點(diǎn)調(diào)整建議：

主線GC運(yùn)行太過頻繁，可以嘗試增大年老域內(nèi)存。
OOM問題，可以適當(dāng)增加堆內(nèi)存大小。
采用不同的GC策略，監(jiān)測(cè)程序運(yùn)行情況，選取最合適的。

參考鏈接

了解CMS(Concurrent Mark-Sweep)垃圾回收器
 Java 8新特性探究(9):跟OOM：Permgen說再見吧
 Java8 Demos and Samples

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Java 內(nèi)存管理

Java 內(nèi)存管理

內(nèi)存分配區(qū)域

新生域內(nèi)存管理

年老域內(nèi)存管理

世界暫停事件（Stop the World Event）

持久域（Permanent Generation）

方法域(Method Area)

內(nèi)存池(Memory Pool)

運(yùn)行時(shí)常量池（ Runtime Constant Pool）

棧內(nèi)存(Stack Memory)

堆內(nèi)存調(diào)節(jié)器（Heap Memory Switches）

垃圾回收器

GC類型

GC監(jiān)測(cè)

jstat命令行監(jiān)測(cè)內(nèi)存

jvisualvm可視化監(jiān)測(cè)

內(nèi)存和GC調(diào)整

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內(nèi)存分配區(qū)域

新生域內(nèi)存管理

年老域內(nèi)存管理

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持久域（Permanent Generation）

方法域(Method Area)

內(nèi)存池(Memory Pool)

運(yùn)行時(shí)常量池（ Runtime Constant Pool）

棧內(nèi)存(Stack Memory)

堆內(nèi)存調(diào)節(jié)器（Heap Memory Switches）

垃圾回收器

GC類型

GC監(jiān)測(cè)

jstat命令行監(jiān)測(cè)內(nèi)存

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