深入理解JVM之内存管理

1 内存空间：分为方法区，堆，本地方法栈，PC寄存器及JVM方法栈

    1）方法区存放了要加载的类的信息，类的静态变量，final类型的常量，Field信息，类中方法信息

         （对应持久代：permanet Generation，默认最小值是16M，最大值是64M，可以通过-XX:PermSize及-XX:MaxPermSize来指定最小值和最大值）

    2）堆存放对象实例和数据值（由-Xms和-Xmx控制，在实际系统中通常设置成一样）

          1））新生代：大多数新建的对象都从新生代分配内存，新生代由Eden space和两块大小相同的Survivor Space组成（通过-Xmn指定新生代的大小，通过-XX:SurvivorRatio=Eden space/Survivor Space配置Eden space 和Survivor Space所占的比例，默认为8，当-XX:InitialSurvivorRatio也存在时以-XX:InitialSurvivorRatio为准）

          2））旧生代：存放在新生代中经过多次垃圾回收仍然存活的对象，如缓存对象；新建的对象也有可能在旧生代上分配（一种是大对象，另一种是大的数组对象，且数据对象无引用外部对象，-XX:PretenureSizeThreshold=1024控制，表示对象大于1k时直接在旧生代上分配）。

    3）本地方法栈：支持native方法的执行

    4）PC寄存器和JVM方法栈：PC寄存器占用的可能为CPU寄存器或操作系统内存，JVM方法栈（由-Xss控制）占用的为操作系统内存，JVM方法栈为线程私有。

2 内存分配

   1）java对象使用的内存主要从堆上分配。sun jdk为了提上内存分配的效率，在新生代的Eden space上分配出来一块TLAB（thread local allocation buffer）空间（通过-XX:TLABWasteTargetPercent指定TLAB占Eden space空间的百分比，默认1%，增加JVM  -XX:+PrintTLAB参数可以查看TLAB空间使用情况）

3 内存回收

   1）垃圾回收收集器：引用计数收集器和跟踪收集器

         1））引用计数收集器采用分散的管理方式，sun jdk没采用这种方式

         2 ））跟踪收集器采用集中的管理方式，主要有复制（Copying），标记-清除（Mark-Sweep），标记-压缩（Mark-Compact）三种实现算法

               不同代的对象，sun jdk采用不同的跟踪收集方式

              新生代采用Copying算法，Sun JDK采用串行GC（Serial Copying），并行回收GC（Parallel Scavenge），并行GC（ParNew）的方式进行对新生代对象的回收。新生代Survivor Space两块相同的区域，一块作为复制的目标空间（俗称To Space），另一块被清空（俗称From Space），对新生代对象占用的内存进行的GC通常称为Minor GC，通常存活的对象在Minor GC后不直接进入到旧生代，只有经历过几次Minor GC后仍然存活的才进入旧生代，具体几次通过-XX:MaxtenuringThreshold来控制（串行GC和并行GC），并行回收GC则则有Hotspot根据运行状况来决定。当To Space空间满了，剩下的存活对象直接转入旧生代。

             串行GC在整个扫描和复制过程中均采用单线程的方式，-XX:+UseSerialGC的方式指定使用串行GC，新生代分配内存采用的为空闲指针（bump-the-pointer）的方式，指针保持最后一个分配的对象在新生代内存区间的位置，当有新的对象要分配内存时，只需检查剩余的空间是否够存放新的对象，够则更新指针，并创建对象，不够则触发Minor GC。Sun JDK认为以下对象为根集合对象：当前运行线程的桟上引用的对象，常量及静态变量，传到本地方法中，还没有被本地方法释放的对象引用。

            为了避免在扫描过程中引用关系变化，Sun Jdk采用了暂停应用的方式，Sun Jdk在编译代码时为每段方法注入了SafePoint，通常SafePoint位于方法中循环的结束点及方法执行完毕的点，在暂停应用时需要等待所有的用户线程进入SafePoint，在用户线程进入SafePoint后，如果发现此时要执行Minor GC，则将其内存页设置为不可读的状态，从而实现暂停用户线程的执行。

            并行回收GC：采用Copying算法,在扫描和复制过程中均采用多线程的方式，当Eden Space空间不足时直接在旧生代上分配，-XX:ParallelGCThreads=4指定线程数

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           旧生代和持久可用的GC：jdk提供了串行，并行，并发三种GC方式

          1）串行：基于Mark-Swap-Compact实现（Mark-Swap，Mark-Compact两者的改进），和新生代的串行GC相同，采用单线程方式，通过-XX:+PrintGCApplicationStoppedTime查看GC造成的应用暂停时间

          2）并行：采用Mark-Compact实现，内存分配上和串行方式相同，几个线程则把旧生代划分为几个区域

          3）并发（Concurrent Mark-Sweep CMS）：采用Mark-Swap方式实现，采用free-list的方式记录旧生代那些空间是空闲的，为避免对free-list的竞争，引入了Mutual exclusion locks，以分配内存为优先。由于并发进行，这样势必和应用抢占CPU资源，为降低这种现象，CMS引用了i-CMS模式（CMS仅启用一个处理器线程来并发扫描，标记，清除。并且该线程使用一小段时间后会将CPU使用权让出来，分多次多段的进行扫描，标记，清除。适用于CPU少且内存分配不频繁的应用），CMS回收方式容易引起内存碎片，为提高内存使用率，CMS提供了-XX:UseCMSCompactAtFullCollection（进行时需要暂停整个应用）启动参数，使JVM进行CMS方式进行FULL GC后进行内存压缩。CMS容易引起“浮动垃圾（本该本次回收放到下次回收），默认情况下CMS GC并不开启，可以增加-XX:UseConcMarkSweepGC强制启用CMS进行旧生代对象的GC，开启回收线程数=（并行GC线程数 + 3）/ 4, 也可以通过-XX:ParallelCMSThread=10 来指定。CMS GC触发的条件是旧生代已使用的空间达到设定的CMSInitatingOccupancyFraction的百分比（默认68%），另一种是JVM自动触发，也可以设置CMSInitatingOccupancyOnly=true禁止JVM自动触发。

                  CMS执行扫描，着色，清除步骤：

                         1）第一次标记（initial Marking）：需暂停整个应用

                         2）并发标记（Concurrent Marking）：恢复应用的线程，在进行并发标记时Minor GC可能并行进行，这时很可能引起旧生代的引用关系改变，CMS为避免这样的并发现象，提供了Mod Union Table来进行记录。

                         3）重新标记（Final Marking（remark））：需暂停整个应用

                         4）并发收集（Concurrent Sweeping）：完成重新标记后，恢复所有应用的线程。

        FULL GC：除CMS GC外旧生代和持久代触发GC时，其实是对新生代，旧生代和持久代都GC，因此通成为FULL GC（当新生代采用PS GC时，可以通过配置-XX:+ScavengeBeforeFullGC来禁止对新生代进行GC）  

        触发FULL GC的四种情况：

             1）旧生代空间不足

             2）Permanet Generation空间满

             3）CMS GC时出现promotion failed（minor GC时Survivor Space放不下，对象只能放在旧生代，旧生代也放不下造成的）和concurrent  mode failed时可能触发

             4） 统计得到Minor GC晋升到旧生代的平均大小大于旧生代的剩余空间

            另一种情况，对于RMI来进行RPC或管理的Sun JDK应用而言，默认情况一个小时触发一次FULL GC（可以通过-java -Dsun.rmi.dgc.client.gcInterval=36000来设置FULL GC执行时间间隔）    

总结：

    在client和server模式下的默认选择并不相同，现总结如下：

                                            新生代GC方式                         旧生代和持久代GC方式

               client                      串行GC                                        串行GC

               server                   并行回收GC                                  并行GC（JDK 5.0Update 6以后）                    

    sun JDK GC的组合方式                                新生代GC方式                                           旧生代和持久代GC方式

     -XX:+UseSerialGC                                              串行GC                                                             串行GC 

     -XX:+UseParallelGC                                          并行回收GC                                                     并行GC

     -XX:+UseConcMarkSweepGC                         并行GC                                                             并发GC（当出现concurrent Mode failure 时采用串行GC）

     -XX:+UseParNewGC                                          并行GC                                                             串行GC

     -XX:+UseParallelOldGC                                    并行回收GC                                                     并行GC

     -XX:+UseConcMarkSweepGC,-XX:-UseParNewGC      串行GC                                          并发GC（当出现Concurrent Mode failure 或promotion failed时采用串行GC）       

        sun JDK提供了两种简单的方式帮助选择GC

              1）吞吐量优先

              2）暂停时间优先（默认不启用改策略）

    Garbage First  在jdk1.6 update14以上及1.7中使用（实际项目应用不太多）

    Real-Time JDK：为了满足实时领域系统使用java的需求，java推出了Real-Time版的规范

           在以下方面进行了优化：

            1）新的内存管机制：提供了两种内存区域，以下两种内存区域均不受GC管理

                        1））Immortal内存区域：永久保存的对象，应用结束时释放

                        2））Scoped内存区域：临时对象，scope退出是对象释放

            2）允许java应用直接访问物理内存：可以直接将对象直接放到物理内存，而非java heap中。

4 补充：

     1）字节码是由执行引擎来执行的，不同的java虚拟机中，执行引擎可能实现的不同，大致有以下执行引擎

          1））最简单的是一次性解释字节码

          2））及时编译器（just-in-time compiler），更消耗内存，第一次被执行的字节码会被编译成本地机器代码，本地机器代码会被缓存，当方法以后调用的 时候可以重用。

          3））自适应优化器，虚拟机开始的时候解释字节码，并会监视运行中程序的活动，并记录下使用最频繁的代码段。程序运行的时候，虚拟机只把频繁使用的代码编译成本地代码，不是很频繁的继续保留为字节码。