一、概述

• JVM（Java Virtual Machine）是一種在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行Java字節(jié)碼的虛擬機(jī)。它允許Java程序在不同的操作系統(tǒng)上具有跨平臺(tái)的能力，因?yàn)樗峁┝艘粋€(gè)統(tǒng)一的運(yùn)行環(huán)境。JVM 負(fù)責(zé)將Java源代碼編譯成字節(jié)碼，然后在運(yùn)行時(shí)解釋執(zhí)行或者編譯執(zhí)行這些字節(jié)碼。
• GC（Garbage Collection）是JVM的一個(gè)重要功能，用于自動(dòng)管理內(nèi)存。在Java中，開發(fā)人員不需要手動(dòng)分配和釋放內(nèi)存，因?yàn)?nbsp;GC 負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)內(nèi)存中不再使用的對(duì)象，并將它們自動(dòng)回收以釋放內(nèi)存資源。這樣可以減少內(nèi)存泄漏和程序崩潰的風(fēng)險(xiǎn)，但同時(shí)也會(huì)引入一些性能開銷。

GC 有不同的實(shí)現(xiàn)方式，其中兩種主要的策略是：

• 標(biāo)記-清除（Mark and Sweep）：這是最基本的垃圾回收算法。它首先標(biāo)記所有仍然被引用的對(duì)象，然后清除那些沒有被標(biāo)記的對(duì)象，從而釋放其占用的內(nèi)存空間。這種方法可能導(dǎo)致內(nèi)存碎片化問題，從而影響程序性能。
• 分代垃圾回收（Generational Garbage Collection）：根據(jù)對(duì)象的生命周期將內(nèi)存分為不同的代（Generation），一般分為年輕代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。大多數(shù)對(duì)象在短時(shí)間內(nèi)就會(huì)變成垃圾，所以年輕代采用較短周期的GC策略，而老年代則采用更長(zhǎng)周期的策略。常見的分代垃圾回收算法是G1（Garbage-First）垃圾回收器。

JVM 的 GC 對(duì)應(yīng)用程序性能有著重要影響。頻繁的 GC 事件可能導(dǎo)致應(yīng)用程序的暫停時(shí)間增加，從而降低用戶體驗(yàn)。為了優(yōu)化 GC 性能，開發(fā)人員可以采取以下措施：

• 選擇合適的GC算法和回收器：根據(jù)應(yīng)用程序的性質(zhì)和需求，選擇適合的GC算法和回收器，如Serial GC、Parallel GC、Concurrent Mark-Sweep（CMS）GC、G1 GC等。
• 調(diào)整堆內(nèi)存大?。哼m當(dāng)設(shè)置堆內(nèi)存大小，避免過大或過小的堆對(duì)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。
• 避免創(chuàng)建過多臨時(shí)對(duì)象：過多的臨時(shí)對(duì)象會(huì)導(dǎo)致頻繁的GC事件?？梢灾赜脤?duì)象或者使用對(duì)象池來(lái)減少臨時(shí)對(duì)象的創(chuàng)建。
• 優(yōu)化對(duì)象的生命周期：盡量使對(duì)象的生命周期與其實(shí)際使用時(shí)間相符，避免長(zhǎng)時(shí)間存活的對(duì)象進(jìn)入年輕代，從而減少老年代的壓力。
• 監(jiān)控和調(diào)優(yōu)：使用 JVM 性能分析工具來(lái)監(jiān)控 GC 事件，找出性能瓶頸并進(jìn)行調(diào)優(yōu)。

總之，理解 JVM 和 GC 的工作原理對(duì)于編寫高性能、穩(wěn)定的Java應(yīng)用程序至關(guān)重要。

二、JVM 內(nèi)存模型

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Java虛擬機(jī)（JVM）內(nèi)存模型定義了Java程序在運(yùn)行時(shí)如何使用計(jì)算機(jī)的內(nèi)存資源。它將內(nèi)存劃分為不同的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域用于存儲(chǔ)不同類型的數(shù)據(jù)和執(zhí)行不同的任務(wù)。以下是JVM內(nèi)存模型的主要部分：

• 方法區(qū)（Method Area）：方法區(qū)是一個(gè)用于存儲(chǔ)類結(jié)構(gòu)信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等的區(qū)域。它在JVM啟動(dòng)時(shí)被創(chuàng)建，并且對(duì)于每個(gè)類加載器只存在一個(gè)方法區(qū)。在較早的JVM版本中，方法區(qū)被稱為“永久代”（Permanent Generation），但在Java 8及以后的版本中，永久代被移除，而是用元空間（Metaspace）取代。
• 堆（Heap）：堆是Java程序運(yùn)行時(shí)對(duì)象的主要存儲(chǔ)區(qū)域。它被用來(lái)存儲(chǔ)各種對(duì)象實(shí)例，包括用戶自定義對(duì)象以及運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建的對(duì)象。堆被劃分為新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。新生代主要用于存放新創(chuàng)建的對(duì)象，老年代用于存放生命周期較長(zhǎng)的對(duì)象。
• 新生代：新生代又被劃分為Eden空間和兩個(gè)Survivor空間（通常稱為S0和S1）。新創(chuàng)建的對(duì)象首先被分配到Eden空間，經(jīng)過一些垃圾回收操作后，仍然存活的對(duì)象會(huì)被移動(dòng)到Survivor空間，然后經(jīng)過多次垃圾回收后，仍然存活的對(duì)象會(huì)被晉升到老年代。老年代：老年代主要用于存放經(jīng)過多次垃圾回收仍然存活的對(duì)象，這些對(duì)象的生命周期較長(zhǎng)。
• 棧（Stack）：棧被用來(lái)存儲(chǔ)線程的局部變量、方法調(diào)用和返回信息。每個(gè)線程都有自己的棧空間，棧中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在棧幀中，每個(gè)方法調(diào)用會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的棧幀。棧是一個(gè)后進(jìn)先出（LIFO）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
• 本地方法棧（Native Method Stack）：本地方法棧與棧類似，但是它用于存儲(chǔ)Java方法調(diào)用本地方法（用其他語(yǔ)言編寫的方法）時(shí)的信息。
• 程序計(jì)數(shù)器（Program Counter）：每個(gè)線程都有一個(gè)程序計(jì)數(shù)器，它保存著線程正在執(zhí)行的JVM指令的地址。在線程切換時(shí)，程序計(jì)數(shù)器的值會(huì)更新到新線程的執(zhí)行位置。
• 直接內(nèi)存（Direct Memory）：直接內(nèi)存并不是JVM運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，但它與Java NIO（New I/O）相關(guān)。直接內(nèi)存是通過ByteBuffer等NIO類分配的，實(shí)際上是在堆之外的內(nèi)存，但是它由JVM管理。

JVM內(nèi)存模型的理解對(duì)于編寫高效且穩(wěn)定的Java應(yīng)用程序至關(guān)重要。通過對(duì)不同內(nèi)存區(qū)域的管理和優(yōu)化，可以提高應(yīng)用程序的性能和可靠性。

三、GC算法和回收器

在Java虛擬機(jī)（JVM）中，垃圾回收（GC）是自動(dòng)管理內(nèi)存的機(jī)制，而垃圾回收涉及兩個(gè)主要方面：垃圾回收算法和垃圾回收器。垃圾回收算法定義了如何判斷哪些對(duì)象是垃圾以及如何回收它們，而垃圾回收器是實(shí)際執(zhí)行垃圾回收算法的組件。

以下是一些常見的垃圾回收算法和垃圾回收器：

1）垃圾回收算法

• 標(biāo)記-清除（Mark and Sweep）算法：

1. 首先，標(biāo)記階段標(biāo)記所有可達(dá)的對(duì)象。
2. 然后，清除階段將未被標(biāo)記的對(duì)象回收，釋放內(nèi)存空間。

• 標(biāo)記-整理（Mark and Compact）算法：

1. 標(biāo)記階段與標(biāo)記-清除算法相同，標(biāo)記所有可達(dá)對(duì)象。

2. 整理階段將存活的對(duì)象移動(dòng)到一側(cè)，然后釋放未被移動(dòng)的內(nèi)存。

• 復(fù)制（Copying）算法：

3. 將內(nèi)存分為兩個(gè)區(qū)域，通常是Eden和Survivor空間。

4. 在每次垃圾回收時(shí)，將存活的對(duì)象從一個(gè)區(qū)域復(fù)制到另一個(gè)區(qū)域，然后清除原區(qū)域。

• 增量式和并發(fā)式算法：

5. 增量式垃圾回收：將垃圾回收過程分成多個(gè)階段，在應(yīng)用程序執(zhí)行期間交替執(zhí)行，減少停頓時(shí)間。

6. 并發(fā)式垃圾回收：允許在應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)進(jìn)行垃圾回收，從而減少停頓時(shí)間。

2）垃圾回收器

• Serial 回收器：

1. 單線程垃圾回收器，主要用于新生代。
2. 使用復(fù)制算法進(jìn)行垃圾回收。

• Parallel 回收器：

1. 多線程垃圾回收器，適用于多核處理器。

2. 主要用于新生代，使用復(fù)制算法。

• CMS（Concurrent Mark-Sweep）回收器：

3. 并發(fā)垃圾回收器，用于老年代。

4. 標(biāo)記-清除算法，允許在應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)部分并發(fā)執(zhí)行。

• G1（Garbage-First）回收器：

5. 面向大堆和低停頓時(shí)間的垃圾回收器。

6. 使用標(biāo)記-整理算法，將內(nèi)存劃分為多個(gè)區(qū)域，優(yōu)先回收包含垃圾最多的區(qū)域。

• ZGC和Shenandoah：

7. 最小化停頓時(shí)間的垃圾回收器，適用于大堆。

8. 使用不同的算法和技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)低停頓時(shí)間的垃圾回收。

每種垃圾回收算法和垃圾回收器都有其適用的場(chǎng)景和性能特點(diǎn)。選擇適當(dāng)?shù)睦厥掌魅Q于應(yīng)用程序的需求，內(nèi)存使用情況和性能目標(biāo)。

四、垃圾回收機(jī)制（GC）

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Java垃圾回收機(jī)制是一種自動(dòng)管理內(nèi)存的機(jī)制，由Java虛擬機(jī)（JVM）負(fù)責(zé)。它的目標(biāo)是通過檢測(cè)和回收不再被程序引用的對(duì)象，釋放內(nèi)存并防止內(nèi)存泄漏。以下是Java垃圾回收機(jī)制的主要特點(diǎn)：

• 可達(dá)性分析：Java的垃圾回收機(jī)制基于可達(dá)性分析。JVM會(huì)從一組根對(duì)象（如全局變量、靜態(tài)變量、活躍線程的局部變量等）開始，逐步遍歷對(duì)象之間的引用關(guān)系，找到所有可達(dá)的對(duì)象。那些不可達(dá)的對(duì)象被認(rèn)為是垃圾，可以被垃圾回收器回收。
• 分代垃圾回收：Java的垃圾回收采用了分代回收策略。內(nèi)存被分為新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。新創(chuàng)建的對(duì)象通常會(huì)分配在新生代，而生命周期較長(zhǎng)的對(duì)象則晉升到老年代。不同代使用不同的垃圾回收算法。
• 新生代垃圾回收：新生代內(nèi)存被劃分為Eden空間和兩個(gè)Survivor空間（通常稱為S0和S1）。通常使用復(fù)制算法，在新生代之間來(lái)回復(fù)制存活的對(duì)象。經(jīng)過多次回收后仍然存活的對(duì)象會(huì)被晉升到老年代。
• 老年代垃圾回收：老年代內(nèi)存通常存放著生命周期較長(zhǎng)的對(duì)象。老年代的回收算法包括標(biāo)記-整理（Mark and Compact）和標(biāo)記-清除（Mark and Sweep）。
• 并發(fā)和并行垃圾回收：一些JVM實(shí)現(xiàn)支持并發(fā)（Concurrent）垃圾回收和并行（Parallel）垃圾回收。并發(fā)垃圾回收允許在應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)進(jìn)行部分垃圾回收，以減少停頓時(shí)間。并行垃圾回收使用多個(gè)線程并行執(zhí)行垃圾回收操作，以提高回收效率。
• G1垃圾回收器：Java 7引入了G1（Garbage-First）垃圾回收器，它是一種面向大堆、高吞吐量和低停頓時(shí)間的垃圾回收器。G1將內(nèi)存劃分為不同的區(qū)域，并優(yōu)先回收包含垃圾最多的區(qū)域，從而最大限度地減少停頓時(shí)間。
• 元空間：在Java 8及以后的版本中，永久代被移除，而是用元空間（Metaspace）來(lái)管理類的元數(shù)據(jù)和靜態(tài)變量。元空間不再受到固定大小的限制，可以根據(jù)應(yīng)用程序的需求動(dòng)態(tài)調(diào)整。

1）分代垃圾回收機(jī)制

分代垃圾回收機(jī)制是一種內(nèi)存管理策略，主要用于優(yōu)化垃圾回收的效率。它的核心思想是將內(nèi)存劃分為不同的代（Generation），通常包括新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation），以便更有效地管理不同生命周期的對(duì)象。

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以下是分代垃圾回收機(jī)制的原理：

• 新生代（Young Generation）：

新生代主要用于分配新創(chuàng)建的對(duì)象。由于大部分對(duì)象的生命周期很短，新生代采用了一種高效的垃圾回收算法，通常是復(fù)制算法（Copying Algorithm）。

新生代被分為三個(gè)部分：Eden空間和兩個(gè)Survivor空間（通常稱為S0和S1）。新創(chuàng)建的對(duì)象首先分配在Eden空間。

在垃圾回收過程中，首先會(huì)將Eden空間和一個(gè)Survivor空間中仍然存活的對(duì)象復(fù)制到另一個(gè)Survivor空間中，然后清除Eden和前一個(gè)Survivor空間中的所有對(duì)象。這樣，每次垃圾回收后，存活的對(duì)象仍然保留在新生代。

• 晉升與老年代（Promotion and Old Generation）：

• 在經(jīng)過多次新生代的垃圾回收后，仍然存活的對(duì)象會(huì)被晉升到老年代。晉升的條件通常包括對(duì)象的年齡（在Survivor空間中的次數(shù)）和老年代的空間大小等。

• 老年代主要用于存放生命周期較長(zhǎng)的對(duì)象，因此老年代的垃圾回收策略通常使用標(biāo)記-整理（Mark and Compact）或標(biāo)記-清除（Mark and Sweep）算法。

• 分代切換：

• 分代垃圾回收通過合理地將對(duì)象在不同代之間進(jìn)行切換，將不同生命周期的對(duì)象分配到適當(dāng)?shù)膬?nèi)存區(qū)域。

• 新對(duì)象首先分配在新生代，然后通過多次垃圾回收判斷其是否仍然存活。如果存活，它會(huì)被晉升到老年代，而不再頻繁地在新生代進(jìn)行垃圾回收。

分代垃圾回收機(jī)制的原理是根據(jù)對(duì)象的生命周期特點(diǎn)，將不同生命周期的對(duì)象放置在不同的內(nèi)存區(qū)域，并使用不同的垃圾回收策略，從而提高了垃圾回收的效率和性能。這種機(jī)制在處理短壽命對(duì)象和長(zhǎng)壽命對(duì)象的應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。

2）G1 垃圾回收器

G1（Garbage-First）收集器是Java虛擬機(jī)（JVM）中的一種垃圾回收器，旨在提供更高吞吐量和更穩(wěn)定的停頓時(shí)間。它于JDK 7引入，主要針對(duì)大內(nèi)存堆和低停頓時(shí)間的應(yīng)用場(chǎng)景。G1收集器通過將堆內(nèi)存劃分為多個(gè)區(qū)域（Region）來(lái)管理內(nèi)存，并采用不同的垃圾回收策略來(lái)實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)。

以下是G1收集器的一些特點(diǎn)和工作原理：

• 區(qū)域劃分：G1 將堆內(nèi)存劃分為多個(gè)大小相等的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域通常是1MB到32MB的大小。這些區(qū)域可以是 Eden 區(qū)、Survivor 區(qū)或老年區(qū)。
• Mixed GC：G1 收集器使用 Mixed GC 策略，它綜合了新生代和老年代的垃圾回收策略。在每次垃圾回收時(shí)，G1 會(huì)根據(jù)當(dāng)前垃圾回收的需求來(lái)選擇要回收的區(qū)域，優(yōu)先選擇包含垃圾最多的區(qū)域進(jìn)行回收。
• 并發(fā)標(biāo)記：G1 采用并發(fā)標(biāo)記算法，允許在應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)進(jìn)行標(biāo)記階段。這有助于減少垃圾回收造成的停頓時(shí)間。標(biāo)記階段將標(biāo)記所有存活的對(duì)象，以便在后續(xù)的垃圾回收階段進(jìn)行回收。
• 整理階段：G1 使用標(biāo)記-整理（Mark and Compact）算法來(lái)進(jìn)行垃圾回收，以減少碎片。在回收過程中，G1 會(huì)將存活對(duì)象移動(dòng)到堆的一側(cè)，然后清除未被移動(dòng)的區(qū)域。
• Region之間的引用：G1 會(huì)跟蹤Region 之間的引用關(guān)系，以幫助確定存活對(duì)象的引用鏈。這有助于在回收時(shí)快速找到存活的對(duì)象。
• 停頓時(shí)間目標(biāo)：G1 的一個(gè)主要目標(biāo)是控制垃圾回收造成的停頓時(shí)間。它會(huì)根據(jù)用戶設(shè)置的停頓時(shí)間目標(biāo)來(lái)調(diào)整垃圾回收的頻率和區(qū)域的選擇，以盡量減少長(zhǎng)時(shí)間的停頓。

G1 收集器在大堆內(nèi)存和低停頓時(shí)間的應(yīng)用場(chǎng)景下表現(xiàn)出色。它通過區(qū)域劃分、并發(fā)標(biāo)記和 Mixed GC等策略，減少了垃圾回收帶來(lái)的長(zhǎng)時(shí)間停頓，同時(shí)提供了相對(duì)較高的吞吐量。根據(jù)應(yīng)用程序的需求和性能目標(biāo)，選擇適當(dāng)?shù)睦厥掌鞣浅Ｖ匾?，G1 是一個(gè)在這方面具有競(jìng)爭(zhēng)力的選擇。

3）FullGC 機(jī)制

Full GC（Full Garbage Collection） 是指對(duì)整個(gè)堆內(nèi)存（包括新生代和老年代）進(jìn)行垃圾回收的操作，它的執(zhí)行會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用程序的停頓時(shí)間較長(zhǎng)。相對(duì)而言，F(xiàn)ull GC 的停頓時(shí)間通常比部分垃圾回收（如新生代的垃圾回收）要長(zhǎng)，因?yàn)樗枰幚碚麄€(gè)堆內(nèi)存中的對(duì)象。

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Full GC 通常會(huì)在以下情況下發(fā)生：

• 內(nèi)存不足：當(dāng)堆內(nèi)存中的對(duì)象數(shù)量增加，達(dá)到了堆內(nèi)存的容量上限，就會(huì)觸發(fā)Full GC，以嘗試釋放更多的內(nèi)存空間。
• 長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后：長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的Java應(yīng)用程序可能會(huì)導(dǎo)致老年代中的對(duì)象堆積，最終觸發(fā)Full GC，以清理老年代中的垃圾對(duì)象。
• 顯式調(diào)用：開發(fā)人員可以通過Java代碼中的System.gc()方法顯式調(diào)用垃圾回收，其中可能會(huì)包括Full GC操作。

Full GC執(zhí)行的過程通常包括以下步驟：

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• 標(biāo)記階段：標(biāo)記所有存活的對(duì)象，包括新生代和老年代中的對(duì)象。
• 整理階段：對(duì)老年代中的存活對(duì)象進(jìn)行整理，以減少內(nèi)存碎片。
• 回收階段：回收所有未被標(biāo)記的對(duì)象，釋放內(nèi)存空間。

Full GC 的停頓時(shí)間較長(zhǎng)，可能會(huì)對(duì)應(yīng)用程序的性能和響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生影響。因此，在設(shè)計(jì)和優(yōu)化Java應(yīng)用程序時(shí)，需要根據(jù)應(yīng)用的需求和性能目標(biāo)，合理配置堆內(nèi)存大小、垃圾回收策略以及選擇合適的垃圾回收器，以盡量減少Full GC的發(fā)生和影響。