JVM內(nèi)存模型是Java的核心技術(shù)之一，之前51CTO曾為大家介紹過JVM分代垃圾回收策略的基礎(chǔ)概念，現(xiàn)在很多編程語言都引入了類似Java JVM的內(nèi)存模型和垃圾收集器的機(jī)制，下面我們將主要針對(duì)Java中的JVM內(nèi)存模型及垃圾收集的具體策略進(jìn)行綜合的分析。

一 JVM內(nèi)存模型

1.1 Java棧

Java棧是與每一個(gè)線程關(guān)聯(lián)的，JVM在創(chuàng)建每一個(gè)線程的時(shí)候，會(huì)分配一定的?？臻g給線程。它主要用來存儲(chǔ)線程執(zhí)行過程中的局部變量，方法的返回值，以及方法調(diào)用上下文。?？臻g隨著線程的終止而釋放。StackOverflowError：如果在線程執(zhí)行的過程中，棧空間不夠用，那么JVM就會(huì)拋出此異常，這種情況一般是死遞歸造成的。

1.2 堆

Java中堆是由所有的線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，堆用來保存各種JAVA對(duì)象，比如數(shù)組，線程對(duì)象等。

1.2.1 Generation

JVM堆一般又可以分為以下三部分：

◆ Perm

Perm代主要保存class,method,filed對(duì)象，這部門的空間一般不會(huì)溢出，除非一次性加載了很多的類，不過在涉及到熱部署的應(yīng)用服務(wù)器的時(shí)候，有時(shí)候會(huì)遇到j(luò)ava.lang.OutOfMemoryError : PermGen space 的錯(cuò)誤，造成這個(gè)錯(cuò)誤的很大原因就有可能是每次都重新部署，但是重新部署后，類的class沒有被卸載掉，這樣就造成了大量的class對(duì)象保存在了perm中，這種情況下，一般重新啟動(dòng)應(yīng)用服務(wù)器可以解決問題。

◆ Tenured

Tenured區(qū)主要保存生命周期長的對(duì)象，一般是一些老的對(duì)象，當(dāng)一些對(duì)象在Young復(fù)制轉(zhuǎn)移一定的次數(shù)以后，對(duì)象就會(huì)被轉(zhuǎn)移到Tenured區(qū)，一般如果系統(tǒng)中用了application級(jí)別的緩存，緩存中的對(duì)象往往會(huì)被轉(zhuǎn)移到這一區(qū)間。

◆ Young

Young區(qū)被劃分為三部分，Eden區(qū)和兩個(gè)大小嚴(yán)格相同的Survivor區(qū)，其中Survivor區(qū)間中，某一時(shí)刻只有其中一個(gè)是被使用的，另外一個(gè)留做垃圾收集時(shí)復(fù)制對(duì)象用，在Young區(qū)間變滿的時(shí)候，minor GC就會(huì)將存活的對(duì)象移到空閑的Survivor區(qū)間中，根據(jù)JVM的策略，在經(jīng)過幾次垃圾收集后，任然存活于Survivor的對(duì)象將被移動(dòng)到Tenured區(qū)間。

1.2.2 Sizing the Generations

JVM提供了相應(yīng)的參數(shù)來對(duì)內(nèi)存大小進(jìn)行配置。正如上面描述，JVM中堆被分為了3個(gè)大的區(qū)間，同時(shí)JVM也提供了一些選項(xiàng)對(duì)Young,Tenured的大小進(jìn)行控制。

◆ Total Heap

-Xms ：指定了JVM初始啟動(dòng)以后初始化內(nèi)存

-Xmx：指定JVM堆得最大內(nèi)存，在JVM啟動(dòng)以后，會(huì)分配-Xmx參數(shù)指定大小的內(nèi)存給JVM，但是不一定全部使用，JVM會(huì)根據(jù)-Xms參數(shù)來調(diào)節(jié)真正用于JVM的內(nèi)存

-Xmx -Xms之差就是三個(gè)Virtual空間的大小

◆ Young Generation

-XX:NewRatio=8意味著tenured 和 young的比值8：1，這樣eden+2*survivor=1/9

堆內(nèi)存

-XX:SurvivorRatio=32意味著eden和一個(gè)survivor的比值是32：1，這樣一個(gè)Survivor就占Young區(qū)的1/34.

-Xmn 參數(shù)設(shè)置了年輕代的大小

◆ Perm Generation

-XX:PermSize=16M -XX:MaxPermSize=64M

Thread Stack

-XX:Xss=128K

1.3 堆棧分離的好處

呵呵，其它的先不說了，就來說說面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)吧，當(dāng)然除了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)帶來的維護(hù)性，復(fù)用性和擴(kuò)展性方面的好處外，我們看看面向?qū)ο笕绾吻擅畹睦昧硕褩７蛛x。如果從JAVA內(nèi)存模型的角度去理解面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)象它完美的表示了堆和棧，對(duì)象的數(shù)據(jù)放在堆中，而我們編寫的那些方法一般都是運(yùn)行在棧中，因此面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)是一種非常完美的設(shè)計(jì)方式，它完美的統(tǒng)一了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和運(yùn)行。 #p#

二 JAVA垃圾收集器

2.1 垃圾收集簡(jiǎn)史

垃圾收集提供了內(nèi)存管理的機(jī)制，使得應(yīng)用程序不需要在關(guān)注內(nèi)存如何釋放，內(nèi)存用完后，垃圾收集會(huì)進(jìn)行收集，這樣就減輕了因?yàn)槿藶榈墓芾韮?nèi)存而造成的錯(cuò)誤，比如在C++語言里，出現(xiàn)內(nèi)存泄露時(shí)很常見的。Java語言是目前使用最多的依賴于垃圾收集器的語言，但是垃圾收集器策略從20世紀(jì)60年代就已經(jīng)流行起來了，比如Smalltalk,Eiffel等編程語言也集成了垃圾收集器的機(jī)制。

2.2 常見的垃圾收集策略

所有的垃圾收集算法都面臨同一個(gè)問題，那就是找出應(yīng)用程序不可到達(dá)的內(nèi)存塊，將其釋放，這里面得不可到達(dá)主要是指應(yīng)用程序已經(jīng)沒有內(nèi)存塊的引用了，而在JAVA中，某個(gè)對(duì)象對(duì)應(yīng)用程序是可到達(dá)的是指：這個(gè)對(duì)象被根（根主要是指類的靜態(tài)變量，或者活躍在所有線程棧的對(duì)象的引用）引用或者對(duì)象被另一個(gè)可到達(dá)的對(duì)象引用。

2.2.1 Reference Counting(引用計(jì)數(shù)）
 
引用計(jì)數(shù)是最簡(jiǎn)單直接的一種方式，這種方式在每一個(gè)對(duì)象中增加一個(gè)引用的計(jì)數(shù)，這個(gè)計(jì)數(shù)代表當(dāng)前程序有多少個(gè)引用引用了此對(duì)象，如果此對(duì)象的引用計(jì)數(shù)變?yōu)?，那么此對(duì)象就可以作為垃圾收集器的目標(biāo)對(duì)象來收集。

優(yōu)點(diǎn)：

簡(jiǎn)單，直接，不需要暫停整個(gè)應(yīng)用

缺點(diǎn)：

1.需要編譯器的配合，編譯器要生成特殊的指令來進(jìn)行引用計(jì)數(shù)的操作，比如每次將對(duì)象賦值給新的引用，或者者對(duì)象的引用超出了作用域等。

2.不能處理循環(huán)引用的問題

2.2.2 跟蹤收集器

跟蹤收集器首先要暫停整個(gè)應(yīng)用程序，然后開始從根對(duì)象掃描整個(gè)堆，判斷掃描的對(duì)象是否有對(duì)象引用，這里面有三個(gè)問題需要搞清楚：

1．如果每次掃描整個(gè)堆，那么勢(shì)必讓GC的時(shí)間變長，從而影響了應(yīng)用本身的執(zhí)行。因此在JVM里面采用了分代收集，在新生代收集的時(shí)候minor gc只需要掃描新生代，而不需要掃描老生代。

2．JVM采用了分代收集以后，minor gc只掃描新生代，但是minor gc怎么判斷是否有老生代的對(duì)象引用了新生代的對(duì)象，JVM采用了卡片標(biāo)記的策略，卡片標(biāo)記將老生代分成了一塊一塊的，劃分以后的每一個(gè)塊就叫做一個(gè)卡片，JVM采用卡表維護(hù)了每一個(gè)塊的狀態(tài)，當(dāng)JAVA程序運(yùn)行的時(shí)候，如果發(fā)現(xiàn)老生代對(duì)象引用或者釋放了新生代對(duì)象的引用，那么就JVM就將卡表的狀態(tài)設(shè)置為臟狀態(tài)，這樣每次minor gc的時(shí)候就會(huì)只掃描被標(biāo)記為臟狀態(tài)的卡片，而不需要掃描整個(gè)堆。具體如下圖：
3．GC在收集一個(gè)對(duì)象的時(shí)候會(huì)判斷是否有引用指向?qū)ο?，在JAVA中的引用主要有四種：Strong reference,Soft reference,Weak reference,Phantom reference.

◆ Strong Reference

強(qiáng)引用是JAVA中默認(rèn)采用的一種方式，我們平時(shí)創(chuàng)建的引用都屬于強(qiáng)引用。如果一個(gè)對(duì)象沒有強(qiáng)引用，那么對(duì)象就會(huì)被回收。

 

public void testStrongReference(){  
Object referent = new Object();  
Object strongReference = referent;  
referent = null;  
System.gc();  
assertNotNull(strongReference);  
} 

 

◆ Soft Reference

軟引用的對(duì)象在GC的時(shí)候不會(huì)被回收，只有當(dāng)內(nèi)存不夠用的時(shí)候才會(huì)真正的回收，因此軟引用適合緩存的場(chǎng)合，這樣使得緩存中的對(duì)象可以盡量的再內(nèi)存中待長久一點(diǎn)。

 

Public void testSoftReference(){  
String  str =  "test";  
SoftReference<String> softreference = new SoftReference<String>(str);  
str=null;  
System.gc();  
assertNotNull(softreference.get());  
}  

 

◆ Weak reference

弱引用有利于對(duì)象更快的被回收，假如一個(gè)對(duì)象沒有強(qiáng)引用只有弱引用，那么在GC后，這個(gè)對(duì)象肯定會(huì)被回收。

 

Public void testWeakReference(){  
String  str =  "test";  
WeakReference<String> weakReference = new WeakReference<String>(str);  
str=null;  
System.gc();  
assertNull(weakReference.get());  
}  

 

◆ Phantom reference

2.2.2.1 Mark-Sweep Collector(標(biāo)記-清除收集器）

標(biāo)記清除收集器最早由Lisp的發(fā)明人于1960年提出，標(biāo)記清除收集器停止所有的工作，從根掃描每個(gè)活躍的對(duì)象，然后標(biāo)記掃描過的對(duì)象，標(biāo)記完成以后，清除那些沒有被標(biāo)記的對(duì)象。

優(yōu)點(diǎn)：

1 解決循環(huán)引用的問題

2 不需要編譯器的配合，從而就不執(zhí)行額外的指令

缺點(diǎn)：

1．每個(gè)活躍的對(duì)象都要進(jìn)行掃描，收集暫停的時(shí)間比較長。

2.2.2.2 Copying Collector(復(fù)制收集器）復(fù)制收集器將內(nèi)存分為兩塊一樣大小空間，某一個(gè)時(shí)刻，只有一個(gè)空間處于活躍的狀態(tài)，當(dāng)活躍的空間滿的時(shí)候，GC就會(huì)將活躍的對(duì)象復(fù)制到未使用的空間中去，原來不活躍的空間就變?yōu)榱嘶钴S的空間。復(fù)制收集器具體過程可以參考下圖：

優(yōu)點(diǎn)：

1 只掃描可以到達(dá)的對(duì)象，不需要掃描所有的對(duì)象，從而減少了應(yīng)用暫停的時(shí)間

缺點(diǎn)：

1．需要額外的空間消耗，某一個(gè)時(shí)刻，總是有一塊內(nèi)存處于未使用狀態(tài)

2．復(fù)制對(duì)象需要一定的開銷

2.2.2.3 Mark-Compact Collector(標(biāo)記-整理收集器）標(biāo)記整理收集器汲取了標(biāo)記清除和復(fù)制收集器的優(yōu)點(diǎn)，它分兩個(gè)階段執(zhí)行，在第一個(gè)階段，首先掃描所有活躍的對(duì)象，并標(biāo)記所有活躍的對(duì)象，第二個(gè)階段首先清除未標(biāo)記的對(duì)象，然后將活躍的的對(duì)象復(fù)制到堆得底部。標(biāo)記整理收集器的過程示意圖請(qǐng)參考下圖：Mark-compact策略極大的減少了內(nèi)存碎片，并且不需要像Copy Collector一樣需要兩倍的空間。#p#

2.3 JVM的垃圾收集策略
 
GC的執(zhí)行時(shí)要耗費(fèi)一定的CPU資源和時(shí)間的，因此在JDK1.2以后，JVM引入了分代收集的策略，其中對(duì)新生代采用"Mark-Compact"策略，而對(duì)老生代采用了“Mark-Sweep"的策略。其中新生代的垃圾收集器命名為“minor gc”，老生代的GC命名為"Full Gc 或者M(jìn)ajor GC".其中用System.gc()強(qiáng)制執(zhí)行的是Full Gc.

2.3.1 Serial Collector

Serial Collector是指任何時(shí)刻都只有一個(gè)線程進(jìn)行垃圾收集，這種策略有一個(gè)名字“stop the whole world",它需要停止整個(gè)應(yīng)用的執(zhí)行。這種類型的收集器適合于單CPU的機(jī)器。

Serial Copying Collector

此種GC用-XX:UseSerialGC選項(xiàng)配置，它只用于新生代對(duì)象的收集。1.5.0以后。-XX:MaxTenuringThreshold來設(shè)置對(duì)象復(fù)制的次數(shù)。當(dāng)eden空間不夠的時(shí)候，GC會(huì)將eden的活躍對(duì)象和一個(gè)名叫From survivor空間中尚不夠資格放入Old代的對(duì)象復(fù)制到另外一個(gè)名字叫To Survivor的空間。而此參數(shù)就是用來說明到底From survivor中的哪些對(duì)象不夠資格，假如這個(gè)參數(shù)設(shè)置為31，那么也就是說只有對(duì)象復(fù)制31次以后才算是有資格的對(duì)象。這里需要注意幾個(gè)個(gè)問題：

◆  From Survivor和To survivor的角色是不斷的變化的，同一時(shí)間只有一塊空間處于使用狀態(tài)，這個(gè)空間就叫做From Survivor區(qū)，當(dāng)復(fù)制一次后角色就發(fā)生了變化。

◆  如果復(fù)制的過程中發(fā)現(xiàn)To survivor空間已經(jīng)滿了，那么就直接復(fù)制到old generation.

◆  比較大的對(duì)象也會(huì)直接復(fù)制到Old generation,在開發(fā)中，我們應(yīng)該盡量避免這種情況的發(fā)生。

Serial  Mark-Compact Collector

串行的標(biāo)記-整理收集器是JDK5 update6之前默認(rèn)的老生代的垃圾收集器，此收集使得內(nèi)存碎片最少化，但是它需要暫停的時(shí)間比較長。

2.3.2 Parallel Collector 

Parallel Collector主要是為了應(yīng)對(duì)多CPU，大數(shù)據(jù)量的環(huán)境。Parallel Collector又可以分為以下兩種：

Parallel Copying Collector

此種GC用-XX:UseParNewGC參數(shù)配置,它主要用于新生代的收集,此GC可以配合CMS一起使用。1.4.1以后Parallel Mark-Compact Collector，此種GC用-XX:UseParallelOldGC參數(shù)配置，此GC主要用于老生代對(duì)象的收集。1.6.0

Parallel scavenging Collector

此種GC用-XX:UseParallelGC參數(shù)配置，它是對(duì)新生代對(duì)象的垃圾收集器，但是它不能和CMS配合使用，它適合于比較大新生代的情況，此收集器起始于jdk 1.4.0。它比較適合于對(duì)吞吐量高于暫停時(shí)間的場(chǎng)合，Serial gc和Parallel gc可以用如下的圖來表示：

2.3.3 Concurrent Collector

Concurrent Collector通過并行的方式進(jìn)行垃圾收集，這樣就減少了垃圾收集器收集一次的時(shí)間，這種GC在實(shí)時(shí)性要求高于吞吐量的時(shí)候比較有用。此種GC可以用參數(shù)-XX:UseConcMarkSweepGC配置，此GC主要用于老生代和Perm代的收集。

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3. JVM分代垃圾回收策略的基礎(chǔ)概念
4. JVM概念之Java對(duì)象的大小與引用類型
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