作者 | 程序員知識碼頭

責編 | 劉靜

出品 | CSDN博客

JVM的運行數據區

首先我簡單來畫一張 JVM的結構原理圖，如下。

我們重點關注 JVM在運行時的數據區，你可以看到在程序運行時，大致有5個部分。

1.方法區

不止是存“方法”，而是存儲整個 class文件的信息，JVM運行時，類加載器子系統將會提取 class文件里面的類信息，并將其存放在方法區中。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 c/c++編程的同學們應該相當熟習 Heap了，而對于Java而言，每個應用都唯一對應一個JVM實例，而每一個JVM實例唯一對應一個堆。堆主要包括關鍵字 new的對象實例、 this指針，或者者數組都放在堆中，并由應用所有的線程共享。堆由JVM的自動內存管理機制所管理，名為垃圾回收—— GC（garbage collection）。

3.棧（ Stack）

操作系統內核為某個進程或者者線程建立的存儲區域,它保存著一個線程中的方法的調用狀態，它具備先進后出的特性。在棧中的數據大小與生命周期嚴格來說都是確定的，例如在一個函數中公告的int變量便是存儲在 stack中，它的大小是固定的，在函數退出后它的生命周期也從此結束。在棧中，每一個方法對應一個棧幀，JVM會對Java棧執行兩種操作：壓棧和出棧。這兩種操作在執行時都是以棧幀為單位的。還有少量即時編譯器編譯后的代碼等數據。

4.PC寄存器

pc寄存器用于存放一條指令的地址，每一個線程都有一個PC寄存器。

5.本地方法棧

用來調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行，而不會在Java棧中執行。

初識GC

自動垃圾回收機制，簡單來說就是尋覓 Java堆中的無用對象。打個比如：你的房間是JVM的內存，你在房間里生活會制造垃圾和臟亂，而你媽就是 GC（聽起來有點像罵人）。你媽每時每刻都覺得你房間很臟亂，不時要把你趕出門打掃房間，假如你媽一直在房間打掃，那么這個過程你無法繼續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標簽，到了時機成熟時回頭來一起解決，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記的對象：你媽已經整理了一部分雜物（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接受蹂躪了。

Deletion with Compacting

壓縮清理的方法：我們知道，內存有空閑，并不代表著我們就能使用它，例如我們要分配數組這種一段連續空間，如果內存中碎片較多，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）的方式來引用計數對象，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，搜索所走過的引用鏈（ ReferenceChain）。假如目標對象到 GC Roots是連接著的，我們則稱該目標對象是可達的，假如目標對象不可達，則說明目標對象是可以被回收的對象。

GC Root使用的算法是相當復雜的，你不必記住里面的所有細節。但是你要知道的一點就是，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；

• 方法區中，靜態屬性引用的對象；

• 方法區中，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將引用分為強引用、軟引用、弱引用、虛引用4種，這4種引用強度依次減弱。

分代與GC機制

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

新生代

所有新產生的對象一律都在新生代中， Eden區保存最新的對象，有兩個 SurvivorSpace—— S1和 S0，三個區域的比例大致為 8:1:1。當新生代的 Eden區滿了，將觸發一次 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，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，首先有新的對象進入時，默認放入新生代的 Eden區， S區都是默認為空的。下面對象的數字代表經歷了多少次 GC，也就是對象的年齡。

當 eden區滿了，觸發 minor garbage collections，這時還有被引用的對象，就會被分配到 S0區域，剩下沒有被引用的對象就都會被清理。

再一次 GC時， S0區的部分對象很可能會出現沒有引用的，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上面的步驟了，當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區中。這個年齡可以通過參數 MaxTenuringThreshold設定，默認值為 15，圖中的例子為 8次。

新生代管理內存采用的算法為 GC復制算法( CopyingGC)，也叫標記-復制法，原理是把內存分為兩個空間:一個 From空間，一個 To空間，對象一開始只在 From空間分配， To空間是空閑的。GC時把存活的對象從 From空間復制粘貼到 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。

首先標記不可達對象。

而后移動存活的對象到 to區，并保證他們在內存中連續。

清掃垃圾。

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

老年代

老年代用來存儲活時間較長的對象，老年代區域的 GC是 major garbage collection，老年代中的內存不夠時，就會觸發一次。這也是一個 Stopthe world事件，但是看名字就知道，這個回收過程會相當慢，由于這包括了對新生代和老年代所有對象的回收，也叫 FullGC。

老年代管理內存最早采用的算法為標記-清除算法，這個算法很好了解，結合 GC Root的定義，我們會把所有不可達的對象一律標記進行清理。

在清理前，黃色的為不可達對象。

在清理后，一律都變成可達對象。

那么，這個算法的劣勢很好了解：對，會在標記清理的過程中產生大量的內存碎片，Java在分配內存時通常是按連續內存分配，這樣我們會白費很多內存。所以，現在的 JVM GC在老年代都是使用標記-壓縮清理方法，將上圖在清理后的內存進行整理和壓縮，以保證內存連續，盡管這個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，主要存放元數據，例如 Class、 Method的元信息，與 GC要回收的對象其實關系并不是很大，我們可以幾乎忽略其對 GC的影響。除了 JavaHotSpot這種較新的虛擬機技術，會回收無用的常量和的類，以免大量運用反射這類頻繁自己設置 ClassLoader的操作時方法區溢出。

GC收集器與優化

一般而言， GC不應該成為影響系統性能的瓶頸，我們在評估 GC收集器的優劣時一般考慮以下幾點：

• 吞吐量；

• GC開銷；

• 暫停時間；

• GC頻率；

• 堆空間；

• 對象生命周期。

所以針對不同的 GC收集器，我們要對應我們的應用場景來進行選擇和調優，回顧 GC的歷史，主要有 4種 GC收集器: Serial、 Parallel、 CMS和 G1。

Serial

Serial收集器使用了標記-復制的算法，可以用 -XX:+UseSerialGC使用單線程的串行收集器。但是在 GC進行時，程序會進入長時間的暫停時間，一般不太建議使用。

Parallel

-XX:+UseParallelGC-XX:+UseParallelOldGCParallel也使用了標記-復制的算法，但是我們稱之為吞吐量優先的收集器，由于 Parallel最主要的優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時間。當你的程序場景吞吐量較大，例如消息隊列這種應用，需要保證有效利用 CPU資源，可以忍受肯定的停頓時間，可以優先考慮這種方式。

CMS ( ConcurrentMarkSweep)

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

G1（ GarbageFirst）

-XX:+UseG1GC 在堆比較大的時候，假如 full gc頻繁，會導致停頓，并且調用方阻塞、超時、甚至雪崩的情況出現，所以降低 full gc的發生頻率和需要時間，非常有必要。G1的誕生正是為了降低 FullGC的次數，而相較于 CMS， G1使用了標記-壓縮清理算法，這可以大大降低較大內存（ 4GB以上） GC時產生的內存碎片。

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區進行 GC， MixGC不僅進行正常的新生代垃圾收集，同時也回收部分后端掃描線程標記的老年代分區。

另外有趣的一點， 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區域（ region），每個大小都為 2的倍數且大小一律一致，最多有 2000個。除此之外， G1專門劃分了一個 Humongous區，它用來專門存放超過一個 region 50%大小的巨型對象。在正常的解決過程中，對象從一個區域復制到另外一個區域，同時也完成了堆的壓縮。

常用參數

java虛擬機中對象的訪問及存放

舉個實例Student stu=new Student();

這份代碼中Student stu是一個引用變量所以存放在java虛擬機棧上，new Student()是一個實例對象存放在java堆上。另外，在Java 堆中還必須包含能查找到此對象類型數據（如對象類型、父類、實現的接口、方法等）的地址信息，這些類型數據則存儲在方法區中。

由于reference 類型在Java 虛擬機規范里面只規定了一個指向對象的引用，并沒有定義這個引用應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，因此不同虛擬機實現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例數據和類型數據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勢，使用句柄訪問方式的最大好處就是reference 中存儲的是穩定的句柄地址，在對象被移動（垃圾收集時移動對象是非常普遍的行為）時只會改變句柄中的實例數據指針，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，它節省了一次指針定位的時間開銷，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非常可觀的執行成本。

結語

就以這段話自勉、共勉吧。越努力、越幸運，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的唯一捷徑。