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JVM內(nèi)存模型及垃圾收集策略解析

JVM內(nèi)存模型是Java的核心技術(shù)之一，之前曾為大家介紹過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制，下面我們將主要針對Java中的JVM內(nèi)存模型及垃圾收集的具體策略進行綜合的分析。

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一 JVM內(nèi)存模型

1.1 Java棧

Java棧是與每一個線程關(guān)聯(lián)的，JVM在創(chuàng)建每一個線程的時候，會分配一定的?？臻g給線程。它主要用來存儲線程執(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，?？臻g不夠用，那么JVM就會拋出此異常，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對象，比如數(shù)組，線程對象等。

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對象，這部門的空間一般不會溢出，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)器的時候，有時候會遇到j(luò)ava.lang.OutOfMemoryError : PermGen space 的錯誤，造成這個錯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對象保存在了perm中，這種情況下，一般重新啟動應(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象，一般是一些老的對象，當一些對象在Young復(fù)制轉(zhuǎn)移一定的次數(shù)以后，對象就會被轉(zhuǎn)移到Tenured區(qū)，一般如果系統(tǒng)中用了application級別的緩存，緩存中的對象往往會被轉(zhuǎn)移到這一區(qū)間。

◆ Young

Young區(qū)被劃分為三部分，Eden區(qū)和兩個大小嚴格相同的Survivor區(qū)，其中Survivor區(qū)間中，某一時刻只有其中一個是被使用的，另外一個留做垃圾收集時復(fù)制對象用，在Young區(qū)間變滿的時候，minor GC就會將存活的對象移到空閑的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的對象將被移動到Tenured區(qū)間。

1.2.2 Sizing the Generations

JVM提供了相應(yīng)的參數(shù)來對內(nèi)存大小進行配置。正如上面描述，JVM中堆被分為了3個大的區(qū)間，同時JVM也提供了一些選項對Young,Tenured的大小進行控制。

◆ Total Heap

-Xms ：指定了JVM初始啟動以后初始化內(nèi)存

-Xmx：指定JVM堆得最大內(nèi)存，在JVM啟動以后，會分配-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survivor的比值是32：1，這樣一個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)計吧，當然除了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計帶來的維護性，復(fù)用性和擴展性方面的好處外，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，我們就會發(fā)現(xiàn)對象它完美的表示了堆和棧，對象的數(shù)據(jù)放在堆中，而我們編寫的那些方法一般都是運行在棧中，因此面向?qū)ο蟮脑O(shè)計是一種非常完美的設(shè)計方式，它完美的統(tǒng)一了數(shù)據(jù)存儲和運行。 #p#

二 JAVA垃圾收集器

2.1 垃圾收集簡史

垃圾收集提供了內(nèi)存管理的機制，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，垃圾收集會進行收集，這樣就減輕了因為人為的管理內(nèi)存而造成的錯誤，比如在C++語言里，出現(xiàn)內(nèi)存泄露時很常見的。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問題，那就是找出應(yīng)用程序不可到達的內(nèi)存塊，將其釋放，這里面得不可到達主要是指應(yīng)用程序已經(jīng)沒有內(nèi)存塊的引用了，而在JAVA中，某個對象對應(yīng)用程序是可到達的是指：這個對象被根（根主要是指類的靜態(tài)變量，或者活躍在所有線程棧的對象的引用）引用或者對象被另一個可到達的對象引用。

2.2.1 Reference Counting(引用計數(shù)）
 
引用計數(shù)是最簡單直接的一種方式，這種方式在每一個對象中增加一個引用的計數(shù)，這個計數(shù)代表當前程序有多少個引用引用了此對象，如果此對象的引用計數(shù)變?yōu)?，那么此對象就可以作為垃圾收集器的目標對象來收集。

優(yōu)點：

簡單，直接，不需要暫停整個應(yīng)用

缺點：

1.需要編譯器的配合，編譯器要生成特殊的指令來進行引用計數(shù)的操作，比如每次將對象賦值給新的引用，或者者對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應(yīng)用程序，然后開始從根對象掃描整個堆，判斷掃描的對象是否有對象引用，這里面有三個問題需要搞清楚：

1．如果每次掃描整個堆，那么勢必讓GC的時間變長，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象引用了新生代的對象，JVM采用了卡片標記的策略，卡片標記將老生代分成了一塊一塊的，劃分以后的每一個塊就叫做一個卡片，JVM采用卡表維護了每一個塊的狀態(tài)，當JAVA程序運行的時候，如果發(fā)現(xiàn)老生代對象引用或者釋放了新生代對象的引用，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的時候就會只掃描被標記為臟狀態(tài)的卡片，而不需要掃描整個堆。具體如下圖：
3．GC在收集一個對象的時候會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

強引用是JAVA中默認采用的一種方式，我們平時創(chuàng)建的引用都屬于強引用。如果一個對象沒有強引用，那么對象就會被回收。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. public void testStrongReference(){  
    2.   
  
  
  
  2. Object referent = new Object();  
    3.   
  
  
  
  3. Object strongReference = referent;  
    4.   
  
  
  
  4. referent = null;  
    5.   
  
  
  
  5. System.gc();  
    6.   
  
  
  
  6. assertNotNull(strongReference);  
    7.   
  
  
  
  7. } 
    8.

◆ Soft Reference

軟引用的對象在GC的時候不會被回收，只有當內(nèi)存不夠用的時候才會真正的回收，因此軟引用適合緩存的場合，這樣使得緩存中的對象可以盡量的再內(nèi)存中待長久一點。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. Public void testSoftReference(){  
    2.   
  
  
  
  2. String  str =  "test";  
    3.   
  
  
  
  3. SoftReference softreference = new SoftReference(str);  
    4.   
  
  
  
  4. str=null;  
    5.   
  
  
  
  5. System.gc();  
    6.   
  
  
  
  6. assertNotNull(softreference.get());  
    7.   
  
  
  
  7. }  
    8.

◆ Weak reference

弱引用有利于對象更快的被回收，假如一個對象沒有強引用只有弱引用，那么在GC后，這個對象肯定會被回收。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. Public void testWeakReference(){  
    2.   
  
  
  
  2. String  str =  "test";  
    3.   
  
  
  
  3. WeakReference weakReference = new WeakReference(str);  
    4.   
  
  
  
  4. str=null;  
    5.   
  
  
  
  5. System.gc();  
    6.   
  
  
  
  6. assertNull(weakReference.get());  
    7.   
  
  
  
  7. }  
    8.

◆ Phantom reference

2.2.2.1 Mark-Sweep Collector(標記-清除收集器）

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

優(yōu)點：

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：

1．每個活躍的對象都要進行掃描，收集暫停的時間比較長。

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，某一個時刻，只有一個空間處于活躍的狀態(tài)，當活躍的空間滿的時候，GC就會將活躍的對象復(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：

1 只掃描可以到達的對象，不需要掃描所有的對象，從而減少了應(yīng)用暫停的時間

缺點：

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

2．復(fù)制對象需要一定的開銷

2.2.2.3 Mark-Compact Collector(標記-整理收集器）標記整理收集器汲取了標記清除和復(fù)制收集器的優(yōu)點，它分兩個階段執(zhí)行，在第一個階段，首先掃描所有活躍的對象，并標記所有活躍的對象，第二個階段首先清除未標記的對象，然后將活躍的的對象復(fù)制到堆得底部。標記整理收集器的過程示意圖請參考下圖：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)行時要耗費一定的CPU資源和時間的，因此在JDK1.2以后，JVM引入了分代收集的策略，其中對新生代采用"Mark-Compact"策略，而對老生代采用了“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Major GC".其中用System.gc()強制執(zhí)行的是Full Gc.

2.3.1 Serial Collector

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

Serial Copying Collector

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

◆  From Survivor和To survivor的角色是不斷的變化的，同一時間只有一塊空間處于使用狀態(tài)，這個空間就叫做From Survivor區(qū)，當復(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.

◆  比較大的對象也會直接復(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

串行的標記-整理收集器是JDK5 update6之前默認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間比較長。

2.3.2 Parallel Collector

Parallel Collector主要是為了應(yīng)對多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主要用于老生代對象的收集。1.6.0

Parallel scavenging Collector

此種GC用-XX:UseParallelGC參數(shù)配置，它是對新生代對象的垃圾收集器，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。它比較適合于對吞吐量高于暫停時間的場合，Serial gc和Parallel gc可以用如下的圖來表示：

2.3.3 Concurrent Collector

Concurrent Collector通過并行的方式進行垃圾收集，這樣就減少了垃圾收集器收集一次的時間，這種GC在實時性要求高于吞吐量的時候比較有用。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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