JVM内存管理

JVM是按照运行时数据（Runtime Data)的存储结构来划分内存结构的。在Java虚拟机规范中将Java运行时数据划分为6种。

内存结构：

程序技术器，Java栈，堆，方法区，本地方法区。运行时常量池。
程序计数器：
当前线程所执行的字节码的行号指示器。用于保存当前正常执行的程序的内存地址。这很好理解，它就像一个记事员一样记录下哪个线程当前执行到哪条指令了。
JVM规范只定义了Java方法需要记录指针信息，而对于Native方法，并没有要记录执行的指针地址。
此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。
Java栈：
Java栈总是和线程关联在一起，每当创建一个线程时，JVM就会为这个线程创建一个对应的Java栈，在这个Java栈中又会创建一个栈帧，这些栈帧是与每个方法关联起来的，每运行一个方法就创建一个栈帧，每个栈帧会含有一些内部变量，操作栈和方法返回值等信息。
由于Java栈是与Java线程对应起来，这个数据不是线程共享的，所以我们不用关心它的数据一致性问题，也不会存在同步锁的问题。
堆
此内存的唯一目的是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。
堆是存储Java对象的地方，它是jvm管理Java对象的核心存储区域，堆是Java程序员最应该关心的。
每一个存储在堆中的Java对象都会是这个对象的类的一个副本，它会复制包括自它父类的所有非静态属性。
堆是被所有Java线程所共享的，所以对它的访问需要注意同步问题，方法和对应的属性都需要保证一致性。
方法区：
jvm方法区是用于存储类信息，常量，静态变量，方法数据，方法体，构造函数，包括类中专用方法，实例初始化，接口初始化都存储在这个区域。不像Java堆一样会频繁的被GC回收器回收，它存储的信息相对比较稳定。仍然会被垃圾回收器管理。
运行时常量池
是方法区的一部分。用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。如编译期的数字常量，方法或域的引用。它的存储受方法区的规范约束，如果常量池无法分配，同样会抛出OutOfMemoryError
本地方法栈：
本地方法栈是为jvm运行Native方法准备的空间，为Native方法服务。本地方法栈也会抛出OutOfMemoryError和StackOverflowError

JVM内存分配：

jvm内存分配主要基于两种，分别是堆和栈。
栈
Java栈的分配是和线程绑定在一起的，当我们创建一个线程时，很显然，这个线程创建一个新的Java栈，一个线程的方法的调用和返回对应与这个栈的压栈和出栈。当线程激活一个Java方法时，JVM就会在线程的Java堆栈中新压入一个帧，这个栈用来保存参数，局部变量，中间计算过程和其他数据。
栈中主要存放一些基本数据类型的变量数据（int short long byte float double boolean)和对象句柄。存取速度比堆要快，仅次于寄存器，栈数据可以共享。缺点是存在栈中的数据大小与生存期必须是确定的，这也导致了其灵活性。

堆：
每个Java应用都唯一对应一个jvm实例，每个实例唯一对应一个堆。应用程序在运行中所创建的所有类实例或数组都放在这个堆中，并由应用程序所有的线程共享。在Java中堆内存是自动初始化的，所有对象的存储空间都是在堆中分配，这个对象的引用却是在堆栈中分配。也就是说在建立一个对象时两个地方都分配内存，在堆中分配的内存实际建立这个对象，而在堆栈中分配的内存只是一个指向这个堆对象的指针（引用)而已。
堆的优势是可以动态地分配内存的大小，生存期也不必事先告诉编译期，因为它是在运行时动态分配内存的。但缺点是，由于是要在运行时动态分配内存，存取速度较慢。

JVM内存回收策略：
显式的内存申请有两种：一种是静态内存分配，另一种是动态内存分配。
静态内存分配：是指在Java被编译时就已经能够确定需要的内存空间，当程序被加载时系统把内存一次性分配给它。这些内存不会在程序执行时发生变化。在Java类和方法中的局部变量包括原生数据类型（int, long ,char等）和对象的引用都是静态分配内存的。原生数据类型存储在栈中。

动态分配内存：是在程序执行时才知道要分配的存储空间大小，而不是在编译时就能够确定的。对象类型存储在堆中，如Integer,String,Object.

如何检测垃圾：
垃圾收集器必须能够完成两件事情：一件是能够正确检测出垃圾对象，另一件是能释放垃圾对象占用的内存空间。
什么东西会被回收？只要是某个对象不再被其他活动对象引用，那么这个对象就可以被回收。这里的活动对象指的是能够被一个根对象集合到达的对象。

基于分类的垃圾收集算法：

JVM将堆划分为young区，old区，perm区，分别存放不同年龄的对象。
Young区：
Young区又分为Eden区和两个Survivor区，其中所有新创建的对象都在Eden区，当Eden区满后会触发minor　GC将Eden区仍然存活的对象复制到其中一个Survivor区中，另外一个Survivor区中的存活对象也复制到这个Survivor中，以保证始终有一个Survivor区是空的。

Old区
存放的是Young区的Survivor满后触发 minor GC后仍然存活的对象，当Eden区满后会将对象存放到Survivor区中，如果Survivor仍然存放不下这些对象，GC收集器会将这些对象直接存放到Old区，如果在Survivor区中的对象足够老，也直接存放到Old区。如果Old区也满了，将会触发full GC，回收整个堆内存。
Perm区
存放的主要是类的Class对象，如果一个类被频繁地加载，也可能会导致Perm区满，Perm区的垃圾回收也是由Full GC 触发的。
一般建议Young区的大小为整个堆的1/4，而Young区中Survivor一般设置为整个Young区的1/8.

Serial Collector串行单线程收集器
我们指定所有的对象都在Young区的Eden中创建，但是如果创建的对象超过了Eden区的大小，或者超过了PretenureSizeThreshold配置参数配置的大小，就只能在Old区分配了。

当Eden空间不足就触发了Minor GC，触发Minor GC时首先会检查之前每次Minor GC时晋升到Old区的平均对象大小是否大于Old区的剩余空间，如果大于，则将直接出发Full GC，如果小于，则要看HandlePromotionFailure参数（-XX:-handlePromotionFailure)的值。如果为true,仅触发Minor GC，否则再触发一次Full GC，其实这个规则很好理解，如果每次晋升的对象大小都超过了Old区的剩余空间，那么说明当前的Old区的空间已经不能满足新对象所占空间的大小，只有触发Full GC才能获得更多的内存空间。

当Minor GC时，除了将Eden区的非活动对象回收以外，还会把一些老对象也复制到Old区。这个老对象的定义是通过配置参数MaxTenuringThreshold来控制的，如-XX:MaxTenuringThreshold=10，则如果这个对象已经被Minor GC回收过10次后仍然存活，那么这个对象在这次Minor GC后直接放入Old区。还有一种情况，当这次Minor GC时Survivor区中的To Space放不下这些对象是，这些对象也将直接放入Old区。如果Old区或者Perm区空间不足，将会触发Full GC，Full GC会检查Heap堆中所有对象，清除所有垃圾对象，如果Perm区，会清楚已经被卸载的classloader中加载的类的信息。

JVM在做GC时由于是串行的，所以这些动作都是单线程完成的，在JVM中的其他应用程序会全部停止。

Parallel Collector
Parallel GC根据Minor GC和Full GC的不同分为三种，分别是ParNewGC,ParallelGC和ParallelOleGC
1.ParNewGC
它的对象分配和回收策略与Serial Collector类似。只是回收的不是单线程，而是多线程并行回收。
2.ParallelGC
挡在Eden区申请内存空间时，如果Eden区不够，那么看当前申请的空间是否大于等于Eden区的一半，如果大于则这次申请的空间直接在Old区分配，如果小于则触发Minor GC.在触发GC之前首先会检查每次晋升到Old区的平均大小是否大于Old区的剩余空间，如大于则再触发Full GC。在这次触发GC之后仍然会按照这个规则重新检查一次。也就是满足上面这个规则，Full　GC会执行两次。
3.ParallenOldGC
它与ParallelGC有何不同之处，其实不同之处在Full GC上，前者Full GC进行的动作为清空整个Heap堆中的垃圾对象，清除Perm区中已经被卸载的类信息，并进行压缩，而后者是清除Heap堆中的部分垃圾对象，并进行部分的空间压缩。
GC垃圾回收都是以多线程方式进行的，同样也将暂停所有的应用程序。

CMS Collector
1.总体介绍：
CMS(Concurrent Mark-Sweep)是以牺牲吞吐量为代价来获得最短回收停顿时间的垃圾回收器。对于要求服务器响应速度的应用上，这种垃圾回收器非常适合。在启动JVM参数加上-XX:+UseConcMarkSweepGC ，这个参数表示对于老年代的回收采用CMS。CMS采用的基础算法是：标记—清除。
２.CMS过程：
初始标记(STW initial mark)
并发标记(Concurrent marking)
并发预清理(Concurrent precleaning)
重新标记(STW remark)
并发清理(Concurrent sweeping)
并发重置(Concurrent reset)

初始标记 ：在这个阶段，需要虚拟机停顿正在执行的任务，官方的叫法STW(Stop The Word)。这个过程从垃圾回收的”根对象”开始，只扫描到能够和”根对象”直接关联的对象，并作标记。所以这个过程虽然暂停了整个JVM，但是很快就完成了。
并发标记 ：这个阶段紧随初始标记阶段，在初始标记的基础上继续向下追溯标记。并发标记阶段，应用程序的线程和并发标记的线程并发执行，所以用户不会感受到停顿。
并发预清理 ：并发预清理阶段仍然是并发的。在这个阶段，虚拟机查找在执行并发标记阶段新进入老年代的对象(可能会有一些对象从新生代晋升到老年代， 或者有一些对象被分配到老年代)。通过重新扫描，减少下一个阶段”重新标记”的工作，因为下一个阶段会Stop The World。
重新标记 ：这个阶段会暂停虚拟机，收集器线程扫描在CMS堆中剩余的对象。扫描从”跟对象”开始向下追溯，并处理对象关联。
并发清理 ：清理垃圾对象，这个阶段收集器线程和应用程序线程并发执行。
并发重置 ：这个阶段，重置CMS收集器的数据结构，等待下一次垃圾回收。

3.CMS缺点
CMS回收器采用的基础算法是Mark-Sweep。所有CMS不会整理、压缩堆空间。这样就会有一个问题：经过CMS收集的堆会产生空间碎片。 CMS不对堆空间整理压缩节约了垃圾回收的停顿时间，但也带来的堆空间的浪费。为了解决堆空间浪费问题，CMS回收器不再采用简单的指针指向一块可用堆空 间来为下次对象分配使用。而是把一些未分配的空间汇总成一个列表，当JVM分配对象空间的时候，会搜索这个列表找到足够大的空间来hold住这个对象。
需要更多的CPU资源。为了让应用程序不停顿，CMS线程和应用程序线程并发执行，这样就需要有更多的CPU，单纯靠线程切 换是不靠谱的。并且，重新标记阶段，为空保证STW快速完成，也要用到更多的甚至所有的CPU资源。当然，多核多CPU也是未来的趋势！
CMS的另一个缺点是它需要更大的堆空间。因为CMS标记阶段应用程序的线程还是在执行的，那么就会有堆空间继续分配的情况，为了保证在CMS回 收完堆之前还有空间分配给正在运行的应用程序，必须预留一部分空间。也就是说，CMS不会在老年代满的时候才开始收集。相反，它会尝试更早的开始收集，已 避免上面提到的情况：在回收完成之前，堆没有足够空间分配！默认当老年代使用68%的时候，CMS就开始行动了。 – XX:CMSInitiatingOccupancyFraction =n 来设置这个阀值。
总得来说，CMS回收器减少了回收的停顿时间，但是降低了堆空间的利用率。

4.啥时候用CMS
如果你的应用程序对停顿比较敏感，并且在应用程序运行的时候可以提供更大的内存和更多的CPU(也就是硬件牛逼)，那么使用CMS来收集会给你带来好处。还有，如果在JVM中，有相对较多存活时间较长的对象(老年代比较大)会更适合使用CMS。

CMS GC与上面讨论的GC不太一样，它既不是上面所说的Minor GC，也不是Full GC，它是基于这两种GC之间的一种GC。它的触发规则是检查Old去或者Perm区的使用率，当达到一定比例时就会触发CMS GC，触发时会回收Old区中的内存空间。这个比例可以通过CMSInitiatingOccupancyFraction参数来指定，默认是92%。
触发CMS GC时回收的只是Old区或者Perm区的垃圾对象，在回收时和前面所说的Minor GC和Full GC基本没有关系。

三种GC优缺点比较
优点 缺点
串行 在适合内存有限的情况下 回收慢
并行 效率高 当Heap过大时，应用程序暂停时间较长
CMS并发 Old区回收暂停时间短 产生内存碎片，整个GC耗时长，比较耗CPU。

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递归时没有退出条件会发生栈溢出

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永久代不属于堆内存，堆内存只包含新生代和老年代。
其次，永久代内存溢出为OutOfMemoryError：Pergen space