Java虚拟机内存与垃圾回收总结

1. 运行时内存划分

1.1. 程序计数器

• 字节码行号指示器，用于读取下一条需要执行的字节码指令。
• 对Java方法记录虚拟机字节码指令地址；对Native方法记录值为空。
• 线程私有，各线程互不影响。

1.2. 虚拟机栈

• Java方法执行过程所创建，每调用一个方法就会创建一个栈帧并将之入栈，方法结束后会将栈帧出栈。
• 栈帧存放局部变量表(编译期分配，包括基本数据类型、对象引用)，操作数栈，动态链接，方法出口。
• 线程私有，各线程互不影响。
• 可以抛出两个异常：StackOverFlowError(请求的栈深度过大)和OutOfMemoryError(动态扩展无法申请到足够内存)。

1.3. 本地方法栈

• Native方法执行过程所创建，与虚拟机栈类似。
• Sun HotSpot虚拟机将虚拟机栈和本地方法栈合并。

1.4. Java堆

• 内存中最大的一块，用于存放对象实例和数组，垃圾收集器主要管理的区域。
• 虚拟机启动时即创建，所有线程共享，但会有线程私有的分配缓冲区。
• 可以抛出异常OutOfMemoryError(动态扩展无法申请到足够内存)。
  
  堆⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪新生代老年代1/3⎧⎩⎨⎪⎪EdenFrom SurvivorTo Survivor8/101/101/102/3

1.5. 方法区

• 存放类信息，运行时常量池，静态变量，即时编译代码等，Sun HotSpot虚拟机用永久代实现方法区。
• 垃圾回收较少出现，目标仅有常量池和类型卸载。
• Class文件常量池所存放编译期的字面量(String变量，final常量)和符号引用(类名，成员变量名，方法名)，在类加载后进入运行时常量池。
• 所有线程共享。
• 可以抛出异常OutOfMemoryError(动态扩展无法申请到足够内存)。

另外：直接内存
并不是运行时内存的一部分，是NIO类利用Native方法分配的堆外内存，在堆上有DirectByteBuffer对象引用了直接内存，可以避免Java堆和Native堆来回复制。
不受Java堆大小的限制，但是会可以抛出异常OutOfMemoryError。

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2. 内存溢出异常

2.1. Java堆溢出

• 对象实例到达最大堆容量限制，产生java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space异常。
• 解决策略：如果是内存泄漏，分析泄漏对象到GC Roots引用路径，找到垃圾收集器不能自动回收的原因；如果是内存溢出，说明虚拟机内存参数分配过小，或者代码中有些对象生命周期过长。
• JVM相关参数：-Xms，-Xmx

2.2. 虚拟机栈和本地方法栈溢出

• 一个线程请求的栈深度过大，产生java.lang.StackOverflowError异常。
• 创建过多线程，为线程分配的栈会导致内存不足，产生java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread异常。
• JVM相关参数：-Xss

2.3. 方法区和运行时常量池溢出

• 运行时常量池是方法区的一部分，由永久代实现。如果编译时的字面量过多或产生大量Class类(反射)会导致运行时常量池产生java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space异常。
• String.intern()方法可以在程序运行时操作运行时常量池，即当运行时常量池中已经存放了等于该String对象的字符串，则返回运行时常量池中的引用，否则要先将该String对象的字符串添加入运行时常量池，再返回该String对象的字符串的引用。如果不断创建不同的字符串并调用String.intern()方法就会溢出。
• JVM相关参数：-XX：PermSize，-XX:MaxPermSize

2.4. 直接内存溢出

• 利用反射获取Unsafe的实例，并通过Unsafe.allocateMemory()大量分配内存，产生java.lang.OutOfMemoryError异常。
• JVM相关参数：-XX: MaxDirectMemorySize(默认和-Xmx一样)

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3. 垃圾收集

3.1. 需要回收的内存

程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈随线程而生灭，不需要回收。Java堆和方法区在运行时才知道需要分配哪些内存，需要回收。

3.1.1. 引用计数法(JVM不使用)

给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加1；当引用失效时，计数器值就减1；任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的需要回收。缺点是无法解决循环引用问题。

3.1.2. 可达性分析法(JVM使用)

从根(GC Roots)对象作为起始点，开始向下搜索，搜索所走过的路径称为“引用链”，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连，则证明此对象是不可用的需要回收。
可以用作GC Roots的对象有

• 虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象
• 方法区中的静态对象
• 方法区中的常量对象(常量池中)
• 本地方法栈中JNI(Native方法)引用的对象

3.1.3. 引用分类

• 强引用：普遍存在，垃圾回收器绝不会回收，即使程序异常终止
• 软引用(SoftReference类)：内存足够时不会回收；内存不足而在溢出之前，就会对这些对象进行二次回收，如果内存依旧不足才抛出异常。可以实现内存敏感的高速缓存
• 弱引用(WeakReference类)：只能生存到下一次垃圾回收之前，届时不管内存足够与否，都会回收
• 虚引用(PhantomReference类)：和没有任何引用一样不能获取对象实例，在任何时候都可能被回收，仅跟踪对象被回收的活动

3.1.4. 方法区回收

主要针对废弃常量和无用的类，但是不使用了不一定就要回收，因为方法区(永久代)回收效率远低于Java堆。

3.2. 垃圾收集的时机和方式

3.2.1. 标记-清除算法

• 先标记(通过根节点，标记所有从根节点开始的不可达对象)，后清除(统一回收被标记的对象)。
• 缺点：标记和清除需要遍历效率不高，标记清除后会产生大量不连续的碎片。

3.2.2. 复制算法(新生代)

• 将原有的内存空间分为相等的两块，每次只使用其中一块，当内存不足时，将其中存活对象复制到未使用的内存块中，然后清除正在使用的内存块中的所有对象。适用于对象存活率低的情况，对应于新生代的Minor GC。
• 优点：无内存碎片，按顺序分配内存实现简单高效。
• 缺点：空间浪费。
• 改进：将内存分为三块，一块大的Eden(8/10)和两块小的Survivor(1/10)，每次使用Eden和其中一块Survivor，且优先分配在Eden。回收时将Eden和Survivor中存活对象复制到另外一块Survivor，最后清理使用的Eden和Survivor。当Survivor不够用时，需要依赖于老年代进行分配担保，使大对象直接进入老年代。

3.2.3. 标记-整理算法(老年代)

• 先标记(通过根节点，标记所有从根节点开始的可达对象)，后整理(所有的可达对象移动到内存的一端并清理边界外内存)。适用于对象存活率高的情况，对应于老年代的Full GC。
• 优点：无内存碎片。
• 缺点：标记移动效率不高。

三种方法的比较
效率：复制算法 > 标记-整理算法 > 标记-清除算法。
内存整齐度：复制算法 = 标记-整理算法 > 标记-清除算法。
内存利用率：标记-整理算法 = 标记-清除算法 > 复制算法。

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4. 垃圾收集器

4.1. Serial收集器

• 单线程的复制算法收集器，且进行垃圾收集时必须暂停其他所有的工作线程(Stop-The-World)。
• 应用：client模式下的默认新生代收集器。
• 优点：没有线程交互的开销，有最高的单线程收集效率。

4.2. ParNew收集器

• 多线程的复制算法收集器，其余和Serial收集器类似。
• 应用：server模式下的首选新生代收集器。
• 优点：单线程上收集效率不高，但是可以利用多CPU资源。

4.3. Parallel Scavenge收集器

• 多线程的复制算法收集器，和ParNew收集器类似，但是可以控制CPU吞吐量(用户代码时间/总时间)，提高CPU利用率。
• 应用：适合后台运算不需要太多交互的新生代收集器。
• 优点：可以提高吞吐量，但是可能会增加停顿时间。因为吞吐量提高，GC的频率会减少，每次GC的停顿就会随之增长。可以自适应动态调整吞吐量和停顿时间。

4.4. Serial Old收集器

• 单线程的标记-整理算法收集器，可以和各种新生代搭配使用的老年代收集器。
• 应用：client模式下的默认老年代收集器，server模式下作为CMS收集器的备选方案。

4.5. Parallel Old收集器

• 多线程的标记-整理算法收集器。
• 应用：可以和Parallel Scavenge收集器搭配的老年代收集器。
• 优点：可以利用多CPU资源。

4.6. CMS收集器

• 多线程的标记-清理算法收集器。包括4个步骤：初始标记，并发标记，重新标记，并发清除。并发标记和并发清除操作可以和用户线程一起工作。
• 应用：可以获取最短回收时间的老年代收集器。
• 缺点：1. 并发阶段占用了线程使吞吐量降低；2. 无法处理浮动垃圾(用户程序新产生的垃圾)会导致收集失败，从而利用Saerial Old收集器再次收集；3. 标记-清理产生内存碎片，整理是不能并发的。

4.7. G1收集器

• 可以独立管理新生代和老年代的收集器。
• 优点：1. 并发收集减少停顿；2. 分代收集；3. 融合了标记-整理和复制算法，不会有内存碎片；4. 可预测的停顿时间。

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5. JVM参数

参数 含义 默认值 -Xms 初始堆大小 物理内存的1/64 -Xmx 最大堆大小 物理内存的1/4 -Xmn 新生代大小 堆的3/8 -XX:NewSize 设置新生代大小 -XX:MaxNewSize 新生代最大值 -XX:PermSize 设置永久代初始值 物理内存的1/64 -XX:MaxPermSize 设置永久代最大值 物理内存的1/4 -Xss 每个线程栈大小 小应用128k够用 大应用建议256k -XX:NewRatio 老年代与新生代的比值(除去永久代) -XX:SurvivorRatio Eden与一个Survivor的比值