JVM 内存结构

虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把所管理的内存划分为若干个不同的数据区域：

图 1 JVM内存结构

方法区：与堆一样，是各个线程共享的内存区域，用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据
- HotSpot 虚拟机把方法区叫做永久代（Permanent Generation）
- 在 jdk1.7 中，符号引用放到 native heap，字符串常量、类的静态变量放到 java heap
- 在 jdk1.8 中，永久代被移除，类的元数据放到本地堆内存（native heap）中，这一块区域叫 Metaspace（元空间）
运行时常量池：方法区的一部分，用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中
堆：被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。所有的对象实例以及数组都要在堆上分配内存
- 使用 new 关键字，就表示在堆中开辟一块新的存储空间
- 堆内存由年轻代/新生代和老年代组成，而年轻代又被分成三部分，Eden 空间、From Survivor 空间、To Survivor 空间，默认情况下年轻代按照 8:1:1 的比例来分配
- 堆内存又被划分成不同的部分：伊甸区（Eden）、幸存者区域（Survivor Sapce）、老年代（Old Generation Space）
Java 虚拟机栈：每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个的栈帧，每个方法被执行时都会同时创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。当方法调用完毕，该方法的栈帧就被销毁了
本地方法栈：每个线程在调用本地方法时都会创建一个栈帧，为虚拟机使用到的 native 方法服务
程序计数器：每个线程都有自己的程序计数器，用来记录当前线程正在执行的字节码指令的地址

图 2 Java Memory Model

JVM 常见参数

图 3 JVM内存各区域内存大小的控制参数

-Xms 设置堆的最小空间大小，默认为物理内存的 1/64
-Xmx 设置堆的最大空间大小，默认为物理内存的 1/4
-Xss 设置每个线程的堆栈大小，jdk1.5 以后默认为 1M
-Xdebug 在调试模式下运行
-XX:NewSize 设置新生代最小空间大小
-XX:MaxNewSize 设置新生代最大空间大小
-XX:PermSize 设置永久代最小空间大小
-XX:MaxPermSize 设置永久代最大空间大小
-XX:NewRatio 设置老年代与新生代的比值，默认值为 3
-XX:SurvivorRatio 设置年轻代中 Eden 区与 2 个 Survivor 区的比值
-XX:MaxTenuringThreshold 表示一个对象如果在 Survivor 区移动的次数达到设置值还没有被垃圾回收就进入老年代（如果设置为 0 的话，则年轻代对象不经过 Survivor 区，直接进入老年代）
-XX:PretenureSizeThreshold 直接晋升到老年代的对象大小
-XX:+PrintGCDetails 输出详细的 GC 处理日志
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 让 JVM 碰到 OOM 场景时输出 dump 信息

GC 算法

对象存活判断

判断对象是否存活一般有两种方式：

引用计数：每个对象有一个引用计数属性，新增一个引用时计数加 1，引用释放时计数减 1，计数为 0 时可以回收（Java 并没有选择引用计数，因为存在对象相互循环引用的问题）
可达性分析（Reachability Analysis）：从 GC Roots 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时，则认为此对象是不可达的（JVM 会把虚拟机栈和本地方法栈中正在引用的对象、静态属性引用的对象和常量，作为 GC Roots）

垃圾回收机制

自动垃圾回收机制；只能回收堆内存中不再被程序引用的对象所占的内存
回收内容：堆中的可回收对象；方法区无用的元数据（卸载不再使用的类型，默认 -XX:+ClassUnloadingWithConcurrentMark）

垃圾收集算法

垃圾收集算法主要有：复制、标记-清除、标记-整理
复制算法（Copying）
- 将内存分为大小相等的两块，每次只用其中一块，一块内存用完之后，将存活对象复制到另一块内存区域，然后将原来的半块内存区城全部回收
- 只需移动堆顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效，且内存回收后不会产生内存碎片
- 缺点：可用内存缩小为原来的一半，代价高
标记-清除算法（Mark-Sweep）
- 首先标记出所有需要回收的对象，然后进行清除
- 缺点：标记和清除过程的效率都不高；内存回收后会产生大量不连续的内存碎片
标记-整理算法（Mark-Compact）
- 标记需要回收的对象，将存活对象移动到一端，然后将端边界以外的内存回收
分代收集算法（Generational Collection）
- GC 分代的基本假设：绝大部分对象的生命周期都非常短暂，存活时间短
- 把 Java 堆分为新生代和老年代，根据各个年代的特点采用最适当的收集算法
- 在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少量存活，选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集；而老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，必须使用“标记-清理”或“标记-整理”算法来进行回收

垃圾收集过程

当 Eden 区的空间占用达到一定阈值时，触发 Minor GCEden 区中所有存活的对象都会被复制到 To 区域，而在 From 区中仍存活的对象会根据它们的年龄值来决定去向，年龄达到一定值（年龄阈值）的对象会被移动到老年代中，没有达到阈值的对象会被复制到 To 区域
当老年代的剩余空间不足的时，触发 Major GC
老年代 GC 叫作 Major GC，将对整个堆进行的清理叫作 Full GC

垃圾收集器 Garbage Collector

Serial 收集器：一个采用单个线程并基于复制算法工作在新生代的收集器，进行垃圾收集时，必须暂停其它所有的工作线程（Stop The World），是 Client 模式下 JVM 的默认选项，-XX:+UseSerialGC
Serial Old 收集器：一个采用单线程基于标记-整理算法并工作在老年代的收集器
ParNew 收集器：Serial 收集器的多线程版本（使用多个线程进行垃圾收集），-XX:+UseParNewGC
CMS 收集器（Concurrent Mark Sweep）：一种以尽量减少停顿时间为目标的收集器，工作在老年代，基于标记-清除算法实现，-XX:+UseConcMarkSweepGC
Parallel Scavenge 收集器：一个采用多线程基于复制算法并工作在新生代的收集器，也被称作是吞吐量优先的 GC，是早期 jdk1.8 等版本中 Server 模式 JVM 的默认 GC 选择，-XX:+UseParallelGC，使用 Parallel Scavenge（年轻代）+ Serial Old（老年代）的组合进行 GC
Parallel Old 收集器：一个采用多线程基于标记-整理算法并工作在老年代的收集器，适用于注重于吞吐量及 CPU 资源敏感的场合，-XX:+UseParallelOldGC，使用 Parallel Scavenge（年轻代）+ Parallel Old（老年代）的组合进行 GC
G1 收集器：jdk1.7 提供的一个工作在新生代和老年代的收集器，基于标记-整理算法实现，在收集结束后可以避免内存碎片问题，一种兼顾吞吐量和停顿时间的 GC，是 Oracle jdk1.9 以后的默认 GC 选项

图 4 常用的垃圾收集器组合

jdk1.7 默认垃圾收集器 Parallel Scavenge（新生代）+ Serial Old（老年代）
jdk1.8 默认垃圾收集器 Parallel Scavenge（新生代）+ Serial Old（老年代）
jdk1.9 默认垃圾收集器 G1

-XX:+PrintCommandLineFlags 查看 JVM 设置的 XX 选项的值
-XX:+PrintGCDetails 查看 GC 日志的新生代、老年代名称判断

Java 内存模型

Java 内存模型（Java Memory Model，JMM）是一个抽象的概念，描述了一组规则或规范，定义了程序中各个共享变量的访问规则

图 5 Java内存模型

JMM 规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中
每个线程还有自己的工作内存（Working Memory），线程的工作内存中保存了该线程使用到的变量的主内存的副本拷贝，线程对变量的所有操作（读取、赋值等）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量（volatile 变量仍然有工作内存的拷贝，但是由于它特殊的操作顺序性规定，所以看起来如同直接在主内存中读写访问一般）
不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程之间值的传递都需要通过主内存来完成

Java 对象模型

Java 对象在 JVM 中的存储结构
HotSpot 虚拟机中，设计了一个 OOP-Klass Model，OOP（Ordinary Object Pointer）指的是普通对象指针，而 Klass 用来描述对象实例的具体类型
每一个 Java 类，在被 JVM 加载的时候，JVM 会给这个类创建一个 instanceKlass，保存在方法区，用来在 JVM 层表示该 Java 类。当我们在 Java 代码中，使用 new 创建一个对象的时候，JVM 会创建一个 instanceOopDesc 对象，这个对象中包含了对象头以及实例数据

图 6 Java对象模型

JVM 性能监控与故障处理工具

JDK 监控和故障处理命令行工具

jps：JVM Process Status Tool，显示指定系统内所有的 HotSpot 虚拟机进程
jcmd：发送诊断命令请求到正在运行的 JVM
jstat：JVM Statistics Monitoring Tool，用于收集 HotSpot 虚拟机各方面的运行数据
jstack：Stack Trace for Java，显示虚拟机的线程快照
jinfo：Configuration Info for Java，显示虚拟机配置信息
jmap：Memory Map for Java，生成虚拟机的内存转储快照（heapdump 文件）
jhat：JVM Heap Dump Browser，用于分析 heapdump 文件，它会建立一个 HTTP/HTML 服务器，让用户可以在浏览器上査看分析结果