JVM内存模型以及垃圾收集策略解析

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一 JVM 内 存模型

1.1 Java栈

Java栈 是与每一个线程关联的， JVM 在 创建每一个线程的时候，会分配一定的栈空间给线程。它主要用来存储线程执行过程中的局部变量，方法的返回值，以及方法调用上下文。栈空间随着线程的终止而 释放。

StackOverflowError： 如果在线程执行的过程中，栈空间不够用，那么 JVM 就 会抛出此异常，这种情况一般是死递归造成的。

1.2 堆

Java中 堆是由所有的线程共享的一块内存区域，堆用来保存各种 JAVA 对象，比如数组，线程对象等。

1.2.1 Generation

JVM堆 一般又可以分为以下三部分：

Ø  Perm

Perm代 主要保存 class,method,filed 对 象，这部门的空间一般不会溢出，除非一次性加载了很多的类，不过在涉及到热部署的应用服务器的时候，有时候会遇到 java.lang.OutOfMemoryError : PermGen space  的 错误，造成这个错误的很大原因就有可能是每次都重新部署，但是重新部署后，类的 class 没有被卸载掉，这样就造成了大量的 class 对象保存在了 perm 中，这种情况下，一般重新启动应用 服务器可以解决问题。

Ø  Tenured

Tenured区主要保存生命周期长的对象，一般是一些老的对象，当一些对象在 Young 复制转移一定的次数以后，对象就 会被转移到 Tenured 区， 一般如果系统中用了 application 级 别的缓存，缓存中的对象往往会被转移到这一区间。

Ø  Young

Young区 被划分为三部分， Eden 区 和两个大小严格相同的 Survivor 区， 其中 Survivor 区 间中，某一时刻只有其中一个是被使用的，另外一个留做垃圾收集时复制对象用，在 Young 区间变满的时候， minor GC 就会将存活的对象移到空闲的 Survivor 区间中，根据 JVM 的策略，在经过几次垃圾收集后，任然 存活于 Survivor 的 对象将被移动到 Tenured 区 间。

1.2.2 Sizing the Generations

JVM提 供了相应的参数来对内存大小进行配置。

正如上面描述，JVM 中堆被分为了 3 个大的区间，同时 JVM 也提供了一些选项对 Young,Tenured 的大小进行控 制。

Ø  Total Heap 

-Xms ： 指定了 JVM 初始 启动以后初始化内存

-Xmx： 指定 JVM 堆得最 大内存，在 JVM 启 动以后，会分配 -Xmx 参 数指定大小的内存给 JVM ， 但是不一定全部使用， JVM 会 根据 -Xms 参数 来调节真正用于 JVM 的 内存

-Xmx -Xms之 差就是三个 Virtual 空 间的大小

Ø  Young Generation

-XX:NewRatio=8意 味着 tenured  和  young 的比值 8 ： 1 ，这样 eden+2*survivor=1/9

堆内存

-XX:SurvivorRatio=32意 味着 eden 和一 个 survivor 的 比值是 32 ： 1 ，这样一个 Survivor 就占 Young 区的 1/34.

-Xmn 参 数设置了年轻代的大小

Ø  Perm Generation

-XX:PermSize= 16 M -XX:MaxPermSize= 64 M

Thread  Stack

-XX:Xss=128K

 

1.3 堆栈分离的好处

 

呵呵，其它的先不 说了，就来说说面向对象的设计吧，当然除了面向对象的设计带来的维护性，复用性和扩展性方面的好处外，我们看看面向对象如何巧妙的利用了堆栈分离。如果从 JAVA内存模型的角度去理解面向对象的设计，我们就会发现对象它完美的表示了堆和栈，对象的数据放在堆中，而我们编写的那些方法一般都是运行在栈中，因 此面向对象的设计是一种非常完美的设计方式，它完美的统一了数据存储和运行。

 

二 JAVA 垃 圾收集器

2.1 垃圾收集简史

垃圾收集提供了内 存管理的机制，使得应用程序不需要在关注内存如何释放，内存用完后，垃圾收集会进行收集，这样就减轻了因为人为的管理内存而造成的错误，比如在C++ 语言里，出现内存泄露时很常见的。

Java语 言是目前使用最多的依赖于垃圾收集器的语言，但是垃圾收集器策略从 20 世纪 60 年代就已经流行起来了，比如 Smalltalk,Eiffel 等编程语言也集成了垃圾收集器的机制。

2.2 常见的垃圾收集策略

所有的垃圾收集算 法都面临同一个问题，那就是找出应用程序不可到达的内存块，将其释放，这里面得不可到达主要是指应用程序已经没有内存块的引用了，而在JAVA 中，某个对象对应用程序是可到达的是 指：这个对象被根（根主要是指类的静态变量，或者活跃在所有线程栈的对象的引用）引用或者对象被另一个可到达的对象引用。

2.2.1 Reference Counting(引用计数）

 引用计数是最简 单直接的一种方式，这种方式在每一个对象中增加一个引用的计数，这个计数代表当前程序有多少个引用引用了此对象，如果此对象的引用计数变为0 ，那么此对象就可以作为垃圾收集器的目标对 象来收集。

优点：

简单，直接，不需 要暂停整个应用

缺点：

1.需 要编译器的配合，编译器要生成特殊的指令来进行引用计数的操作，比如每次将对象赋值给新的引用，或者者对象的引用超出了作用域等。

2.不 能处理循环引用的问题

2.2.2 跟踪收集器

跟踪收集器首先要 暂停整个应用程序，然后开始从根对象扫描整个堆，判断扫描的对象是否有对象引用，这里面有三个问题需要搞清楚：

1． 如果每次扫描整个堆，那么势必让GC 的时间变长，从而影响了应用本身的执 行。因此在 JVM 里 面采用了分代收集，在新生代收集的时候 minor gc 只 需要扫描新生代，而不需要扫描老生代。

2． JVM采用了分代收集以后， minor gc 只扫描新生代，但是 minor gc 怎么判断是否有老生代的对 象引用了新生代的对象， JVM 采 用了卡片标记的策略，卡片标记将老生代分成了一块一块的，划分以后的每一个块就叫做一个卡片， JVM 采用卡表维护了每一个块的状态，当 JAVA 程序运行的时候，如果发现老生代对 象引用或者释放了新生代对象的引用，那么就 JVM 就 将卡表的状态设置为脏状态，这样每次 minor gc 的 时候就会只扫描被标记为脏状态的卡片，而不需要扫描整个堆。具体如下图：

3． GC在收集一个对象的时候会判 断是否有引用指向对象，在 JAVA 中 的引用主要有四种： Strong reference,Soft reference,Weak reference,Phantom reference.

Ø  Strong Reference 

强引用是JAVA 中默认采用的一种方式，我们平时创建的引用都属于强引用。如果一个对象没有强引用，那么对象就会被回 收。

public void testStrongReference(){

Object referent = new Object();

Object strongReference = referent;

referent = null;

System.gc();

assertNotNull(strongReference);

}

 

    

Ø  Soft Reference

软引用的对象在GC 的时候不会被回收，只有当内存不够用的时候才会真正的回收，因此软引用适合缓存的场合，这样使得缓存中的 对象可以尽量的再内存中待长久一点。

Public void testSoftReference(){

String  str =  "test";

SoftReference<String> softreference = new SoftReference<String>(str);

str=null;

System.gc();

assertNotNull(softreference.get());

}

 

Ø  Weak reference

弱引用有利于对象更快的被回收，假如一个对象没有强引用只有弱引用，那么在GC 后，这个对象肯定会被回收。

Public void test Weak Reference(){

String  str =  "test";

Weak Reference<String>  weakR eference = new  Weak Reference<String>(str);

str=null;

System.gc();

assertNull( weakR eference.get());

}

 

Ø  Phantom reference 

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

标记清除收集器最 早由Lisp 的发明人于 1960 年提出，标记清除收集器停止所有的 工作，从根扫描每个活跃的对象，然后标记扫描过的对象，标记完成以后，清除那些没有被标记的对象。

优点：

1 解决循环引用的问题

2 不需要编译器的配合，从而就不执行额外的指令

缺点：

1． 每个活跃的对象都要进行扫描，收集暂停的时 间比较长。

2.2.2.2 Copying Collector(复制收集器）

复制收集器将内存 分为两块一样大小空间，某一个时刻，只有一个空间处于活跃的状态，当活跃的空间满的时候，GC 就会将活跃的对象复制到未使用的空间中去，原来不活跃的空间就变为了活跃的空间。

复制收集器具体过 程可以参考下图：

优点：

1 只 扫描可以到达的对象，不需要扫描所有的对象，从而减少了应用暂停的时间

缺点：

1． 需要额外的空间消耗，某一个时刻，总是有一 块内存处于未使用状态

2． 复制对象需要一定的开销

2.2.2.3 Mark-Compact Collector(标记 - 整理收集器）

标记整理收集器汲 取了标记清除和复制收集器的优点，它分两个阶段执行，在第一个阶段，首先扫描所有活跃的对象，并标记所有活跃的对象，第二个阶段首先清除未标记的对象，然 后将活跃的的对象复制到堆得底部。标记整理收集器的过程示意图请参考下图：

 

Mark-compact策 略极大的减少了内存碎片，并且不需要像 Copy Collector 一 样需要两倍的空间。

2.3 JVM的垃圾收集策略

   GC的执行时要耗费一定的 CPU 资源和时间的，因此在 JDK1.2 以后， JVM 引入了分代收集的策略，其中对新生代 采用 "Mark-Compact" 策 略，而对老生代采用了“ Mark-Sweep" 的 策略。其中新生代的垃圾收集器命名为“ minor gc ”， 老生代的 GC 命名 为 "Full Gc  或 者 Major GC". 其 中用 System.gc() 强 制执行的是 Full Gc.

2.3.1 Serial  Collector

Serial Collector 是指任何时刻都只有一个线程进行垃圾收集， 这种策略有一个名字“stop the whole world", 它 需要停止整个应用的执行。这种类型的收集器适合于单 CPU 的机器。

Serial Copying Collector

此种GC 用 -XX:UseSerialGC 选项配置，它只用于 新生代 对象的收集。1.5.0 以后 .

-XX:M axTenuringThreshold来设置对象复制的次数。当 eden 空间不够的时候， GC 会将 eden 的活跃对象和一个名叫 From survivor 空间中尚不够资 格放入 Old 代的 对象复制到另外一个名字叫 To Survivor 的 空间。而此参数就是用来说明到底 From survivor 中 的哪些对象不够资格，假如这个参数设置为 31 ， 那么也就是说只有对象复制 31 次 以后才算是有资格的对象。

这里需要注意几个个问题：

Ø   From Survivor和 To survivor 的角色是不断的变化的，同一时间只有一块空间处于使用状态，这个 空间就叫做 From Survivor 区， 当复制一次后角色就发生了变化。

Ø   如果复制的过程中发现To survivor 空 间已经满了，那么就直接复制到 old generation.

Ø   比较大的对象也会直接复制到Old generation, 在 开发中，我们应该尽量避免这种情况的发生。

Serial  Mark-Compact Collector

串行的标记- 整 理收集器是 JDK5 update6 之 前默认的老生代的垃圾收集器，此收集使得内存碎片最少化，但是它需要暂停的时间比较长

2.3.2 Parallel Collector 

Parallel Collector主 要是为了应对多 CPU ， 大数据量的环境。

Parallel Collector又 可以分为以下两种：

Parallel Copying Collector

此种GC 用 -XX:UseParNewGC 参数配置, 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

此种GC 用 -XX:U seParallelOldGC 参数配置，此GC 主要用于 老生代 对象的收集。1.6.0

Parallel  scavenging  Collector

此种GC 用 -XX:UseParallelGC 参数配置，它是对 新生代 对象的垃圾收集器，但是它不能和CMS 配 合使用，它适合于比较大新生代的情况，此收集器起始于 jdk 1.4.0 。它比较适合于对吞吐量高于暂停时间的场合。

Serial gc和 Parallel gc 可以用如下的图来表 示：

2.3.3 Concurrent Collector

C oncurrent Collector通 过并行的方式进行垃圾收集，这样就减少了垃圾收集器收集一次的时间，这种 GC 在实时性要求高于吞吐量的时候比较有用。

此种GC 可以用参数 -XX:U seConcMarkSweepGC 配置，此GC 主要用于 老生代 和Perm 代 的收集。

 

参考资料

1 http://developers.sun.com/mobility/midp/articles/garbage/

2 http://developers.sun.com/mobility/midp/articles/garbagecollection2/

3 http://blogs.sun.com/watt/resource/jvm-options-list.html

4 http://java.sun.com/developer/technicalArticles/Programming/turbo/

5 http://www.ibm.com/developerworks/library/j-jtp10283/index.html?S_TACT=105AGX52&S_CMP=cn-a-j

6 http://www.ibm.com/developerworks/library/j-jtp11253/index.html?S_TACT=105AGX52&S_CMP=cn-a-j