聲明：本文基于HotSpot JVM 1.7版本
本文垃圾回收器部分不具體介紹G1
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1.JVM規(guī)范規(guī)定的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域

Java虛擬機(jī)規(guī)范將Java內(nèi)存劃分為程序計(jì)數(shù)器、Java虛擬機(jī)棧、本地方法棧、方法區(qū)、運(yùn)行時(shí)常量池和直接內(nèi)存，下面我們就簡(jiǎn)單介紹一下這些區(qū)域：

1.1 程序計(jì)數(shù)器

程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）可以看作是當(dāng)前線程所執(zhí)行字節(jié)碼的行號(hào)指示器，字節(jié)碼解釋器工作時(shí)就是通過這個(gè)計(jì)數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個(gè)程序計(jì)數(shù)器來完成。如果線程運(yùn)行的是一個(gè)Java方法，它記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址；如果運(yùn)行的是一個(gè)Native方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器的值則為空（Undefined）。

1.2 Java虛擬機(jī)棧

Java虛擬機(jī)棧（Java Vitual Machine Stacks）也是線程私有的，生命周期與線程相同。虛擬機(jī)棧描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個(gè)方法在執(zhí)行的同時(shí)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀（Stack Frame）用于存儲(chǔ)局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息。虛擬機(jī)棧中的局部變量表存放了編譯器可知的各種基本數(shù)據(jù)類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對(duì)象引用（可以是指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔?，也可能是指向一個(gè)代表對(duì)象的句柄或其他與此對(duì)象相關(guān)的位置）和returnAdress類型（指向了一條字節(jié)碼指令的地址）。這部分區(qū)域規(guī)定了兩種異常狀況:如果線程請(qǐng)求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度，將拋出StackOverFlowError異常；如果虛擬機(jī)棧可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，如果無法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存，就會(huì)拋出OutOfMemoeyError異常。

1.3 本地方法棧

本地方法棧（Native Method Stack）與虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，他們之間的區(qū)別是虛擬機(jī)棧執(zhí)行Java方法（也就是字節(jié)碼）服務(wù)，而本地方法棧則為Native方法服務(wù)。與虛擬機(jī)棧一樣本地方法?？赡軖伋鯯tackOverFlowError和OutOfMemoryError異常。

1.4 Java堆

Java堆是所有線程共享的一塊區(qū)域，也是Java虛擬機(jī)所管理最大的一塊內(nèi)存區(qū)域。此內(nèi)存區(qū)域唯一的目的就是存放對(duì)象實(shí)例，幾乎所有的對(duì)象、數(shù)組都在這里分配內(nèi)存，但隨著JIT編譯器的發(fā)展與逃逸分析技術(shù)逐漸成熟，棧上分配、標(biāo)量替換優(yōu)化技術(shù)將會(huì)導(dǎo)致一些微妙的變化，所有對(duì)象都分配在堆上也漸漸變得不是那么絕對(duì)。如果創(chuàng)建對(duì)象時(shí)無法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存就會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。

1.5 方法區(qū)

方法區(qū)（Method Area）也是各個(gè)線程共享區(qū)域，它用來存儲(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)。當(dāng)方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時(shí)，將拋出OutOfMemoryError異常。

1.6 運(yùn)行時(shí)常量池

運(yùn)行時(shí)常量池（Runtime Constant Pool）是方法區(qū)的一部分。Class文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項(xiàng)信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放編譯器生成的各種字面量和符號(hào)引用，這部分內(nèi)容會(huì)在類加載后進(jìn)入方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)常量池中存放。作為方法區(qū)的一部分，當(dāng)常量池?zé)o法申請(qǐng)到內(nèi)存時(shí)會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。

1.7 直接內(nèi)存

直接內(nèi)存（Direct Memory）并不是虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域的一部分，也不是java虛擬機(jī)規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域。在JDK1.4新加入的NIO（New Input/Output）類，引入了一種基于通道（Chnnel）與緩沖區(qū)（Buffer）的I/O方式，他可以使用Native函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存，然后通過一個(gè)存儲(chǔ)在Java堆中的DirectByteBuffer對(duì)象作為這塊內(nèi)存區(qū)域 的引用進(jìn)行操作。這樣就避免了在Java堆和Native堆中來回復(fù)制數(shù)據(jù)。雖然直接內(nèi)存不受Java堆大小的限制，但既然是內(nèi)存就會(huì)受到本機(jī)總內(nèi)存（包括RAM以及SWAP區(qū)或者分頁文件）大小以及處理器尋址空間的限制。

JVM內(nèi)存區(qū)域劃分.png

從線程的角度來說，Java內(nèi)存可以分為兩類：
所有線程共享區(qū)域
　　方法區(qū)、運(yùn)行時(shí)常量池、Java堆；這些區(qū)域是所有線程共享的；在Java虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建的，只有當(dāng)Java虛擬機(jī)退出時(shí)才會(huì)銷毀。
　　
線程間隔離的數(shù)據(jù)區(qū)
　　程序計(jì)數(shù)器、Java虛擬機(jī)棧、本地方法棧；這些數(shù)據(jù)區(qū)域是每個(gè)線程私有的，不與其他線程共享；每個(gè)線程的數(shù)據(jù)區(qū)隨線程創(chuàng)建而創(chuàng)建，并在線程退出時(shí)銷毀。

2.HotSpot 1.7對(duì)JVM規(guī)范中運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域的實(shí)現(xiàn)

2.1 Java虛擬機(jī)棧和本地方法棧

HotSpot將Java虛擬機(jī)棧和本地方法棧合二為一，統(tǒng)稱為棧內(nèi)存。
JVM棧內(nèi)存設(shè)置參數(shù)：

• -Xss 設(shè)置棧內(nèi)存大小

2.2 堆內(nèi)存和方法區(qū)

HotSpot1.7使用分代回收的思想，將堆內(nèi)存劃分為新生代和老年代，而方法區(qū)通過永久代實(shí)現(xiàn)。

HotSpot 1.7分代劃分.png

JVM堆內(nèi)存相關(guān)的參數(shù)如下:

• -Xms 控制Java堆的初始化值
• -Xmx 堆的最大值
• -Xmn 控制年輕代的值
• -Xss 設(shè)置java線程棧的大小
• -XX:NewRatio 年輕代與老年代的比值
• -XX:SurvivorRatio Eden區(qū)與兩個(gè)Survivor區(qū)域的比值， 設(shè)置為8,則兩個(gè)Survivor區(qū)與一個(gè)Eden區(qū)的比值為2:8,一個(gè)Survivor區(qū)占整個(gè)年輕代的1/10

JVM永久代（方法區(qū)）內(nèi)存參數(shù)：

• -XX:PermSize 永久代的初始大小
• -XX:MaxPermSize 永久代的最大值

３.判斷對(duì)象是否有可以被回收

3.1 引用計(jì)數(shù)器算法

思路就是給對(duì)象添加一個(gè)引用計(jì)數(shù)器：當(dāng)對(duì)象被引用一次時(shí)，計(jì)數(shù)器值就增加1；當(dāng)引用失效時(shí)，引用器的值就減1；任何引用計(jì)數(shù)器值為零的對(duì)象就是沒有被使用的對(duì)象。這種判斷對(duì)象是否被使用的方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是存在一個(gè)問題：當(dāng)A、B兩個(gè)對(duì)象只是循環(huán)引用，沒有其他任何引用，這時(shí)候其實(shí)這兩個(gè)對(duì)象已經(jīng)不能被訪問到了，但是他們還是被對(duì)方所引用。所以Java沒有采用這種方式，而是采用可達(dá)性分析算法。

3.2 可達(dá)性分析算法

這個(gè)算法以一系列的“GC Roots”對(duì)象作為起點(diǎn)，從這些起點(diǎn)開始向下搜索，搜索所走過的路徑稱為引用鏈（Reference Chain）,當(dāng)一個(gè)對(duì)象從引用鏈不可達(dá)時(shí)，證明此對(duì)象是不可用的。

可達(dá)性分析.png

４.垃圾回收算法

4.1 標(biāo)記-清理算法（Mark-Sweep）

標(biāo)記清理算法分為兩步--“標(biāo)記”和“清理”:首先標(biāo)記出所有需要回收的對(duì)象，在標(biāo)記完成后統(tǒng)一回收所有標(biāo)記的對(duì)象。這種算法有兩個(gè)明顯的不足：一個(gè)是效率問題，標(biāo)記和清理兩個(gè)過程的效率都不高；另一個(gè)是空間問題，標(biāo)記清除后會(huì)產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片，內(nèi)存碎片太多可能會(huì)導(dǎo)致后續(xù)分配大對(duì)象時(shí)，無法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存，而不得提前觸發(fā)另一次垃圾回收動(dòng)作。

標(biāo)記清除算法.png

4.2 復(fù)制算法

復(fù)制算法的思路就是，將內(nèi)存劃分為兩塊，每次只是用其中的一塊。當(dāng)其中的一塊內(nèi)存用完了，就將還存活的對(duì)象復(fù)制到另一塊上面，然后再把已使用過的內(nèi)存空間一次清理掉。這樣每次清理只需要移動(dòng)堆頂指針，按順序分配即可，運(yùn)行效率高，且不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片。但是他的代價(jià)是將內(nèi)存縮小為原來的一半。。。

復(fù)制算法.png

實(shí)際上在真正垃圾回收器實(shí)現(xiàn)時(shí)，沒有必要將內(nèi)存劃分為等量的兩塊。例如，HotSpot就是將新生代劃分為Eden區(qū)和兩個(gè)Survivor區(qū)（From 和To區(qū)），默認(rèn)比例為8:1:1，創(chuàng)建新對(duì)象是在Eden區(qū)域分配內(nèi)存，每次垃圾回收時(shí)，將Eden區(qū)和From區(qū)中存活的對(duì)象復(fù)制到To區(qū)，然后將Eden和From區(qū)清空，下一次垃圾回收時(shí)同上操作。這樣只浪費(fèi)了1/10的新生代區(qū)域。

4.3 標(biāo)記-整理算法

復(fù)制算法在對(duì)象存活率高時(shí)就要進(jìn)行較多的復(fù)制操作，效率就會(huì)大打折扣，對(duì)于對(duì)象存活的老年區(qū)就不太適用了，所以標(biāo)記整理算法就應(yīng)運(yùn)而生了。標(biāo)記整理算法的“標(biāo)記過程”和“標(biāo)記清除”的一樣，但后續(xù)的整理階段是將存活的對(duì)象移動(dòng)到一端，然后清理掉端邊界以外的內(nèi)存。

標(biāo)記整理算法.png

5.垃圾回收器

5.1 Serial收集器

Serial是一個(gè)單線程新生代的收集器，它在進(jìn)行垃圾回收時(shí)會(huì)暫停其他所有的工作線程（Stop The World），直到它收集結(jié)束。這是一個(gè)古老的垃圾收集器，一般不會(huì)用在企業(yè)級(jí)應(yīng)用中，但對(duì)于一些內(nèi)存區(qū)域很小的桌面程序，倒是可以采用這種垃圾回收器?？梢允褂脜?shù)-XX：+UseSerialGC使用Serial收集器。

5.2 ParNew收集器

ParNew收集器其實(shí)就是Serial的多線程版，采用多線程的方式回收垃圾，同樣回收過程中，也需要暫停其他所有用戶線程。可以使用JVM參數(shù)-XX:UsePartNewGC指定新生代使用ParNew收集器。

5.3 Parallel Scavenge收集器

新生代垃圾回收器，采用復(fù)制算法，是一個(gè)吞吐量（運(yùn)行用戶代碼的時(shí)間、（運(yùn)行用戶代碼的時(shí)間+垃圾回收的時(shí)間））優(yōu)先的并行垃圾回收器。他提供了控制最大垃圾收集時(shí)間的參數(shù)-XX:MaxGCOauseMillis和直接設(shè)置吞吐量的參數(shù)-XX:GCTimeRatio,其中-XX:MaxGCOauseMillis是以毫秒為單位的正數(shù)，-XX:GCTimeRatio是大于0小于100的整數(shù)。
Parallel Scavenge收集器還有一個(gè)參數(shù)-XX:+UseAdaptiveSizePolicy,它是一個(gè)開關(guān)，當(dāng)它打開后就不需要手動(dòng)設(shè)置新生代的大?。?Xmn）、Eden與Survicor區(qū)的比例（-XX:Survivor）、晉升老年代對(duì)象年齡（-XX:PretenureSizeThreshold）等詳細(xì)參數(shù)了，虛擬機(jī)會(huì)根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行情況、收集性能監(jiān)控信息，動(dòng)態(tài)調(diào)整這些參數(shù)，以提供最合適的停頓時(shí)間或者最大吞吐量，這種調(diào)節(jié)方式成為GC自適應(yīng)策略（GC Ergonomics）。
可以使用參數(shù)-XX:+UseParallelGC指定新生代使用Parallel Scavenge收集器。

5.4 Serial Old收集器

Serial Old收集器是Serial的老年代版本，通同樣使用一個(gè)線程進(jìn)行垃圾回收，采用“標(biāo)記整理”算法。這種垃圾收集器主要給Client模式下的虛擬機(jī)使用。但是Server模式下也有兩種使用場(chǎng)景：JDK1.5及以前的版本中與Parallel Scavenge收集器搭配使用，另一個(gè)場(chǎng)景是作為CMS收集器后備方案，在并發(fā)收集發(fā)生Concurrent Mode Failure時(shí)使用?？梢允褂脜?shù)-XX:+UseSerialGC指定老年代使用Serial old收集器。

5.5 Parallel Old收集器

Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年版本，使用多線程和“標(biāo)記-整理”算法。這個(gè)收集器的出現(xiàn)很大程度上解決了新生代的Parallel Scavenge收集器的尷尬地位。原因是在JDK1.6以前，新生代采用Parallel Scavenge收集器，老年代的收集器只能采用Serial Old收集器，這樣的組合很大程度上還不如ParNew加CMS給力。但是1.6出現(xiàn)的Parallel Old收集器和新生代的Parallel Scavenge收集器是一個(gè)吞吐量?jī)?yōu)先的最佳搭檔。使用參數(shù)-XX:+UseParallelGC指定老年代使用Parallel Old收集器。

5.6 CMS收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一種以獲取最短回收停頓時(shí)間為目標(biāo)的老年代垃圾收集器。從名字（包括“Mark Sweep”）上就可以看出，CMS收集器是基于“標(biāo)記-清除”算法實(shí)現(xiàn)的，它的運(yùn)作過程分為4個(gè)步驟：

1. 初始標(biāo)記（CMS initial mark）
2. 并發(fā)標(biāo)記（CMS concurrent mark）
3. 重新標(biāo)記（CMS remark）
4. 并發(fā)清除（CMS concurrent sweep）
   其中，初始標(biāo)記、重新標(biāo)記這兩個(gè)步驟仍需要“Stop The World”，可以使用參數(shù)-XX:+UseConcMarkSweepGC指定老年代使用CMS回收器。CMS還有一個(gè)重要的參數(shù)-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction,它是0-100的數(shù)，是觸發(fā)CMS回收老年代的閾值，即：當(dāng)老年代使用率大于改參數(shù)指定值時(shí)候，就會(huì)使用CMS回收器對(duì)老年代的垃圾進(jìn)行回收。

６.JVM參數(shù)

HotSpot JVM選項(xiàng)分為三類：

6.1 標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)

這類選項(xiàng)的功能很穩(wěn)定，在后續(xù)的版本中也不太會(huì)發(fā)生變化。運(yùn)行java -help可以看到所有的標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)。標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)都是以-開頭的，比如-version，-server等。

6.2 X選項(xiàng)

比如-Xms。這類選項(xiàng)都是以-X開頭的，也被稱為X選項(xiàng)。運(yùn)行java -X命令可以查看所有的X選項(xiàng)。

6.3 XX選項(xiàng)

這類選項(xiàng)屬于實(shí)驗(yàn)性的，主要是給JVM開發(fā)者用于開發(fā)和調(diào)試JVM的，在后續(xù)的行為中可能會(huì)發(fā)生改變。XX選項(xiàng)的語法

• 如果是布爾類型的選項(xiàng)，它的格式為-XX:+flag或者-XX:-flag，分別表示開啟和關(guān)閉該選項(xiàng)。
• 針對(duì)非布爾類型選項(xiàng)，它的格式為-XX:flag=value。

對(duì)于HotSpot建議將最大堆和最小堆設(shè)置為相同值

• -Xms 控制Java堆的初始化值
• -Xmx 堆的最大值
• -Xmn 控制年輕代的值
• -Xss 設(shè)置java線程棧的大小
• -XX:PermSize 永久代的初始大小
• -XX:MaxPermSize 永久代的最大值
• -XX:NewRatio 年輕代與老年代的比值
• -XX:SurvivorRatio Eden區(qū)與兩個(gè)Survivor區(qū)域的比值， 設(shè)置為8,則兩個(gè)Survivor區(qū)與一個(gè)Eden區(qū)的比值為2:8,一個(gè)Survivor區(qū)占整個(gè)年輕代的1/10
• -XX:+PrintGCDetails 打印GC詳情

更多JVM參數(shù)請(qǐng)參閱：JVM參數(shù)設(shè)置與分析

7.參考文獻(xiàn)

Java中的垃圾回收機(jī)制
內(nèi)存區(qū)域 JVM運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)
雜談GC
JVM系列三:JVM參數(shù)設(shè)置、分析
JVM 垃圾回收器工作原理及使用實(shí)例介紹