作者 | 程序員知識碼頭

責(zé)編 | 劉靜

出品 | CSDN博客

JVM的運(yùn)行數(shù)據(jù)區(qū)

首先我簡單來畫一張 JVM的結(jié)構(gòu)原理圖，如下。

我們重點(diǎn)關(guān)注 JVM在運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)區(qū)，你可以看到在程序運(yùn)行時(shí)，大致有5個(gè)部分。

1.方法區(qū)

不止是存“方法”，而是存儲整個(gè) class文件的信息，JVM運(yùn)行時(shí)，類加載器子系統(tǒng)將會提取 class文件里面的類信息，并將其存放在方法區(qū)中。例如類的名稱、類的類型（枚舉、類、接口）、字段、方法等等。

2.堆（ Heap）

熟習(xí) c/c++編程的同學(xué)們應(yīng)該相當(dāng)熟習(xí) Heap了，而對于Java而言，每個(gè)應(yīng)用都唯一對應(yīng)一個(gè)JVM實(shí)例，而每一個(gè)JVM實(shí)例唯一對應(yīng)一個(gè)堆。堆主要包括關(guān)鍵字 new的對象實(shí)例、 this指針，或者者數(shù)組都放在堆中，并由應(yīng)用所有的線程共享。堆由JVM的自動(dòng)內(nèi)存管理機(jī)制所管理，名為垃圾回收—— GC（garbage collection）。

3.棧（ Stack）

操作系統(tǒng)內(nèi)核為某個(gè)進(jìn)程或者者線程建立的存儲區(qū)域,它保存著一個(gè)線程中的方法的調(diào)用狀態(tài)，它具備先進(jìn)后出的特性。在棧中的數(shù)據(jù)大小與生命周期嚴(yán)格來說都是確定的，例如在一個(gè)函數(shù)中公告的int變量便是存儲在 stack中，它的大小是固定的，在函數(shù)退出后它的生命周期也從此結(jié)束。在棧中，每一個(gè)方法對應(yīng)一個(gè)棧幀，JVM會對Java棧執(zhí)行兩種操作：壓棧和出棧。這兩種操作在執(zhí)行時(shí)都是以棧幀為單位的。還有少量即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。

4.PC寄存器

pc寄存器用于存放一條指令的地址，每一個(gè)線程都有一個(gè)PC寄存器。

5.本地方法棧

用來調(diào)用其余語言的本地方法，例如 C/C++寫的本地代碼， 這些方法在本地方法棧中執(zhí)行，而不會在Java棧中執(zhí)行。

初識GC

自動(dòng)垃圾回收機(jī)制，簡單來說就是尋覓 Java堆中的無用對象。打個(gè)比如：你的房間是JVM的內(nèi)存，你在房間里生活會制造垃圾和臟亂，而你媽就是 GC（聽起來有點(diǎn)像罵人）。你媽每時(shí)每刻都覺得你房間很臟亂，不時(shí)要把你趕出門打掃房間，假如你媽一直在房間打掃，那么這個(gè)過程你無法繼續(xù)在房間打游戲吃泡面。但假如你一直在房間，你的房間早晚要變成一個(gè)無法居住的豬窩。

那么，怎樣樣回收垃圾比較好呢？我們大致可以想出下面的思路。

Marking

首先，所有堆中的對象都會被掃描一遍：我們總得知道哪些是垃圾，哪些是有用的物品吧。由于垃圾實(shí)在太多了，所以，你媽會把所有的要扔掉的東西都找出來并打上一個(gè)標(biāo)簽，到了時(shí)機(jī)成熟時(shí)回頭來一起解決，這樣她就能解決你不需要的廢物、舊家具，而不是把你喜歡的衣服或者者身份證之類的東西扔掉。

Normal Deletion

垃圾收集器將清理掉標(biāo)記的對象：你媽已經(jīng)整理了一部分雜物（或者者已一律整理完），而后會將他們直接拎出去倒掉。你很開心房間又可以繼續(xù)接受蹂躪了。

Deletion with Compacting

壓縮清理的方法：我們知道，內(nèi)存有空閑，并不代表著我們就能使用它，例如我們要分配數(shù)組這種一段連續(xù)空間，如果內(nèi)存中碎片較多，一定是行不通的。正如房間可能需要再放一個(gè)新的床，但是扔掉舊衣柜后，原來的位置并不能放得下新床，所以需要進(jìn)行空間壓縮，把剩下的家具和物檔次置并到一起，這樣就能騰出更多的空間啦。

有趣的是，JVM并不是使用相似于 objective-c的 ARC（AutomaticReferenceCounting）的方式來引用計(jì)數(shù)對象，而是使用了叫根搜索算法( GC Root)的方法，基本思想就是選定少量對象作為 GC Roots，并組成根對象集合，而后從這些作為 GC Roots的對象作為起始點(diǎn)，搜索所走過的引用鏈（ ReferenceChain）。假如目標(biāo)對象到 GC Roots是連接著的，我們則稱該目標(biāo)對象是可達(dá)的，假如目標(biāo)對象不可達(dá)，則說明目標(biāo)對象是可以被回收的對象。

GC Root使用的算法是相當(dāng)復(fù)雜的，你不必記住里面的所有細(xì)節(jié)。但是你要知道的一點(diǎn)就是，可以作為 GC Root的對象可以主要分為四種。

• JVM棧中引用的對象；

• 方法區(qū)中，靜態(tài)屬性引用的對象；

• 方法區(qū)中，常量引用的對象；

• 本地方法棧中，JNI（即Native方法）引用的對象。

在 JDK1.2之后，Java將引用分為強(qiáng)引用、軟引用、弱引用、虛引用4種，這4種引用強(qiáng)度依次減弱。

分代與GC機(jī)制

嗯，聽起來這樣即可以了？但是實(shí)際情況下，很不幸，在JVM中絕大部分對象都是英年早逝的，在編碼時(shí)大部分堆中的內(nèi)存都是短暫臨時(shí)分配的，所以無論是效率還是開銷方面，按上面那樣進(jìn)行 GC往往是無法滿足我們需求的。而且，實(shí)際上隨著分配的對象增多， GC的時(shí)間與開銷將會放大。所以，JVM的內(nèi)存被分為了三個(gè)主要部分：新生代，老年代和永久代。

新生代

所有新產(chǎn)生的對象一律都在新生代中， Eden區(qū)保存最新的對象，有兩個(gè) SurvivorSpace—— S1和 S0，三個(gè)區(qū)域的比例大致為 8:1:1。當(dāng)新生代的 Eden區(qū)滿了，將觸發(fā)一次 GC，我們把新生代中的 GC稱為 minor garbage collections。minor garbage collections是一種 Stopthe world事件，比方你媽在打掃時(shí)，會把你趕出去，而不是你一邊扔垃圾她一邊打掃。

我們來看下對象在堆中的分配過程，首先有新的對象進(jìn)入時(shí)，默認(rèn)放入新生代的 Eden區(qū)， S區(qū)都是默認(rèn)為空的。下面對象的數(shù)字代表經(jīng)歷了多少次 GC，也就是對象的年齡。

當(dāng) eden區(qū)滿了，觸發(fā) minor garbage collections，這時(shí)還有被引用的對象，就會被分配到 S0區(qū)域，剩下沒有被引用的對象就都會被清理。

再一次 GC時(shí)， S0區(qū)的部分對象很可能會出現(xiàn)沒有引用的，被引用的對象以及 S0中的存活對象，會被一起移動(dòng)到 S1中。eden和 S0中的未引用對象會被一律清理。

接下來就是無限循環(huán)上面的步驟了，當(dāng)新生代中存活的對象超過了肯定的【年齡】，會被分配至老年代的 Tenured區(qū)中。這個(gè)年齡可以通過參數(shù) MaxTenuringThreshold設(shè)定，默認(rèn)值為 15，圖中的例子為 8次。

新生代管理內(nèi)存采用的算法為 GC復(fù)制算法( CopyingGC)，也叫標(biāo)記-復(fù)制法，原理是把內(nèi)存分為兩個(gè)空間:一個(gè) From空間，一個(gè) To空間，對象一開始只在 From空間分配， To空間是空閑的。GC時(shí)把存活的對象從 From空間復(fù)制粘貼到 To空間，之后把 To空間變成新的 From空間，原來的 From空間變成 To空間。

首先標(biāo)記不可達(dá)對象。

而后移動(dòng)存活的對象到 to區(qū)，并保證他們在內(nèi)存中連續(xù)。

清掃垃圾。

可以看到上圖操作后內(nèi)存幾乎都是連續(xù)的，所以它的效率是非常高的，但是相對的吞吐量會較大。并且，把內(nèi)存一分為二，占用了將近一半的可用內(nèi)存。用一段偽代碼來實(shí)現(xiàn)大致為下。

老年代

老年代用來存儲活時(shí)間較長的對象，老年代區(qū)域的 GC是 major garbage collection，老年代中的內(nèi)存不夠時(shí)，就會觸發(fā)一次。這也是一個(gè) Stopthe world事件，但是看名字就知道，這個(gè)回收過程會相當(dāng)慢，由于這包括了對新生代和老年代所有對象的回收，也叫 FullGC。

老年代管理內(nèi)存最早采用的算法為標(biāo)記-清除算法，這個(gè)算法很好了解，結(jié)合 GC Root的定義，我們會把所有不可達(dá)的對象一律標(biāo)記進(jìn)行清理。

在清理前，黃色的為不可達(dá)對象。

在清理后，一律都變成可達(dá)對象。

那么，這個(gè)算法的劣勢很好了解：對，會在標(biāo)記清理的過程中產(chǎn)生大量的內(nèi)存碎片，Java在分配內(nèi)存時(shí)通常是按連續(xù)內(nèi)存分配，這樣我們會白費(fèi)很多內(nèi)存。所以，現(xiàn)在的 JVM GC在老年代都是使用標(biāo)記-壓縮清理方法，將上圖在清理后的內(nèi)存進(jìn)行整理和壓縮，以保證內(nèi)存連續(xù)，盡管這個(gè)算法的效率是三種算法里最低的。

永久代

永久代位于方法區(qū)，主要存放元數(shù)據(jù)，例如 Class、 Method的元信息，與 GC要回收的對象其實(shí)關(guān)系并不是很大，我們可以幾乎忽略其對 GC的影響。除了 JavaHotSpot這種較新的虛擬機(jī)技術(shù)，會回收無用的常量和的類，以免大量運(yùn)用反射這類頻繁自己設(shè)置 ClassLoader的操作時(shí)方法區(qū)溢出。

GC收集器與優(yōu)化

一般而言， GC不應(yīng)該成為影響系統(tǒng)性能的瓶頸，我們在評估 GC收集器的優(yōu)劣時(shí)一般考慮以下幾點(diǎn)：

• 吞吐量；

• GC開銷；

• 暫停時(shí)間；

• GC頻率；

• 堆空間；

• 對象生命周期。

所以針對不同的 GC收集器，我們要對應(yīng)我們的應(yīng)用場景來進(jìn)行選擇和調(diào)優(yōu)，回顧 GC的歷史，主要有 4種 GC收集器: Serial、 Parallel、 CMS和 G1。

Serial

Serial收集器使用了標(biāo)記-復(fù)制的算法，可以用 -XX:+UseSerialGC使用單線程的串行收集器。但是在 GC進(jìn)行時(shí)，程序會進(jìn)入長時(shí)間的暫停時(shí)間，一般不太建議使用。

Parallel

-XX:+UseParallelGC-XX:+UseParallelOldGCParallel也使用了標(biāo)記-復(fù)制的算法，但是我們稱之為吞吐量優(yōu)先的收集器，由于 Parallel最主要的優(yōu)勢在于并行使用多線程去完成垃圾清除工作，這樣可以充分利用多核的特性，大幅降低 gc時(shí)間。當(dāng)你的程序場景吞吐量較大，例如消息隊(duì)列這種應(yīng)用，需要保證有效利用 CPU資源，可以忍受肯定的停頓時(shí)間，可以優(yōu)先考慮這種方式。

CMS ( ConcurrentMarkSweep)

-XX:+UseParNewGC-XX:+UseConcMarkSweepGCCMS使用了標(biāo)記-清理的算法，當(dāng)應(yīng)用尤其重視服務(wù)器的響應(yīng)速度（比方 Apiserver），希望系統(tǒng)停頓時(shí)間最短，以給客戶帶來較好的體驗(yàn)，那么可以選擇 CMS。CMS收集器在 MinorGC時(shí)會暫停所有的應(yīng)用線程，并以多線程的方式進(jìn)行垃圾回收。在 FullGC時(shí)不暫停應(yīng)用線程，而是使用若干個(gè)后端線程定期的對老年代空間進(jìn)行掃描，及時(shí)回收其中不再使用的對象。

G1（ GarbageFirst）

-XX:+UseG1GC 在堆比較大的時(shí)候，假如 full gc頻繁，會導(dǎo)致停頓，并且調(diào)用方阻塞、超時(shí)、甚至雪崩的情況出現(xiàn)，所以降低 full gc的發(fā)生頻率和需要時(shí)間，非常有必要。G1的誕生正是為了降低 FullGC的次數(shù)，而相較于 CMS， G1使用了標(biāo)記-壓縮清理算法，這可以大大降低較大內(nèi)存（ 4GB以上） GC時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)存碎片。

G1提供了兩種 GC模式， YoungGC和 MixedGC，兩種都是 StopTheWorld(STW)的。YoungGC主要是對 Eden區(qū)進(jìn)行 GC， MixGC不僅進(jìn)行正常的新生代垃圾收集，同時(shí)也回收部分后端掃描線程標(biāo)記的老年代分區(qū)。

另外有趣的一點(diǎn)， G1將新生代、老年代的物理空間劃分取消了，而是將堆劃分為若干個(gè)區(qū)域（ region），每個(gè)大小都為 2的倍數(shù)且大小一律一致，最多有 2000個(gè)。除此之外， G1專門劃分了一個(gè) Humongous區(qū)，它用來專門存放超過一個(gè) region 50%大小的巨型對象。在正常的解決過程中，對象從一個(gè)區(qū)域復(fù)制到另外一個(gè)區(qū)域，同時(shí)也完成了堆的壓縮。

常用參數(shù)

java虛擬機(jī)中對象的訪問及存放

舉個(gè)實(shí)例Student stu=new Student();

這份代碼中Student stu是一個(gè)引用變量所以存放在java虛擬機(jī)棧上，new Student()是一個(gè)實(shí)例對象存放在java堆上。另外，在Java 堆中還必須包含能查找到此對象類型數(shù)據(jù)（如對象類型、父類、實(shí)現(xiàn)的接口、方法等）的地址信息，這些類型數(shù)據(jù)則存儲在方法區(qū)中。

由于reference 類型在Java 虛擬機(jī)規(guī)范里面只規(guī)定了一個(gè)指向?qū)ο蟮囊茫]有定義這個(gè)引用應(yīng)該通過哪種方式去定位，以及訪問到Java 堆中的對象的具體位置，因此不同虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的對象訪問方式會有所不同，主流的訪問方式有兩種：使用句柄和直接指針。如果使用句柄訪問方式Java 堆中將會劃分出一塊內(nèi)存來作為句柄池，reference中存儲的就是對象的句柄地址，而句柄中包含了對象實(shí)例數(shù)據(jù)和類型數(shù)據(jù)各自的具體地址信息，如下圖所示。

指針方式

Java 堆對象的布局中就必須考慮如何放置訪問類型

這兩種對象的訪問方式各有優(yōu)勢，使用句柄訪問方式的最大好處就是reference 中存儲的是穩(wěn)定的句柄地址，在對象被移動(dòng)（垃圾收集時(shí)移動(dòng)對象是非常普遍的行為）時(shí)只會改變句柄中的實(shí)例數(shù)據(jù)指針，而引用對象本身不需要被修改。使用直接指針訪問方式的最大好處就是速度更快，它節(jié)省了一次指針定位的時(shí)間開銷，由于對象的訪問在Java 中非常頻繁，因此這類開銷積少成多后也是一項(xiàng)非常可觀的執(zhí)行成本。

結(jié)語

就以這段話自勉、共勉吧。越努力、越幸運(yùn)，如果你不是官二代、富二代、紅二代，那么請記住：勤奮才是改變你命運(yùn)的唯一捷徑。