JVM內存模型及垃圾收集策略解析
JVM內存模型是Java的核心技術之一，之前51CTO曾為大家介紹過JVM分代垃圾回收策略的基礎概念，現在很多編程語言都引入了類似Java JVM的內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內存模型及垃圾收集的具體策略進行綜合的分析。
一 JVM內存模型
1.1 Java棧
Java棧是與每一個線程關聯的，JVM在創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行過程中的局部變量，方法的返回值，以及方法調用上下文。?？臻g隨著線程的終止而釋放。StackOverflowError：如果在線程執行的過程中，?？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存區域，堆用來保存各種JAVA對象，比如數組，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用服務器的時候，有時候會遇到java.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，一般重新啟動應用服務器可以解決問題。
◆ Tenured
Tenured區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復制轉移一定的次數以后，對象就會被轉移到Tenured區，一般如果系統中用了application級別的緩存，緩存中的對象往往會被轉移到這一區間。
◆ Young
Young區被劃分為三部分，Eden區和兩個大小嚴格相同的Survivor區，其中Survivor區間中，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制對象用，在Young區間變滿的時候，minor GC就會將存活的對象移到空閑的Survivor區間中，根據JVM的策略，在經過幾次垃圾收集后，任然存活于Survivor的對象將被移動到Tenured區間。
1.2.2 Sizing the Generations
JVM提供了相應的參數來對內存大小進行配置。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存
-Xmx：指定JVM堆得最大內存，在JVM啟動以后，會分配-Xmx參數指定大小的內存給JVM，但是不一定全部使用，JVM會根據-Xms參數來調節真正用于JVM的內存
-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區的1/34.
-Xmn 參數設置了年輕代的大小
◆ 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，就來說說面向對象的設計吧，當然除了面向對象的設計帶來的維護性，復用性和擴展性方面的好處外，我們看看面向對象如何巧妙的利用了堆棧分離。如果從JAVA內存模型的角度去理解面向對象的設計，我們就會發現對象它完美的表示了堆和棧，對象的數據放在堆中，而我們編寫的那些方法一般都是運行在棧中，因此面向對象的設計是一種非常完美的設計方式，它完美的統一了數據存儲和運行。 #p#
二 JAVA垃圾收集器
2.1 垃圾收集簡史
垃圾收集提供了內存管理的機制，使得應用程序不需要在關注內存如何釋放，內存用完后，垃圾收集會進行收集，這樣就減輕了因為人為的管理內存而造成的錯誤，比如在C++語言里，出現內存泄露時很常見的。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，那就是找出應用程序不可到達的內存塊，將其釋放，這里面得不可到達主要是指應用程序已經沒有內存塊的引用了，而在JAVA中，某個對象對應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）
引用計數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，這個計數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變為0，那么此對象就可以作為垃圾收集器的目標對象來收集。
優點：
簡單，直接，不需要暫停整個應用
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，從而影響了應用本身的執行。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，當JAVA程序運行的時候，如果發現老生代對象引用或者釋放了新生代對象的引用，那么就JVM就將卡表的狀態設置為臟狀態，這樣每次minor gc的時候就會只掃描被標記為臟狀態的卡片，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對象，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。
- public void testStrongReference(){
- Object referent = new Object();
- Object strongReference = referent;
- referent = null;
- System.gc();
- assertNotNull(strongReference);
- }
◆ Soft Reference
軟引用的對象在GC的時候不會被回收，只有當內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存中待長久一點。
- Public void testSoftReference(){
- String str = "test";
- SoftReference<String> softreference = new SoftReference<String>(str);
- str=null;
- System.gc();
- assertNotNull(softreference.get());
- }
◆ 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。
- Public void testWeakReference(){
- String str = "test";
- WeakReference<String> weakReference = new WeakReference<String>(str);
- str=null;
- System.gc();
- assertNull(weakReference.get());
- }
◆ 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。
優點：
1 解決循環引用的問題
2 不需要編譯器的配合，從而就不執行額外的指令
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(復制收集器）復制收集器將內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，當活躍的空間滿的時候，GC就會將活躍的對象復制到未使用的空間中去，原來不活躍的空間就變為了活躍的空間。復制收集器具體過程可以參考下圖：
優點：
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，總是有一塊內存處于未使用狀態
2．復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制收集器的優點，它分兩個階段執行，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",它需要停止整個應用的執行。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來設置對象復制的次數。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代的對象復制到另外一個名字叫To Survivor的空間。而此參數就是用來說明到底From survivor中的哪些對象不夠資格，假如這個參數設置為31，那么也就是說只有對象復制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，這個空間就叫做From Survivor區，當復制一次后角色就發生了變化。
◆ 如果復制的過程中發現To survivor空間已經滿了，那么就直接復制到old generation.
◆ 比較大的對象也會直接復制到Old generation,在開發中，我們應該盡量避免這種情況的發生。
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主要是為了應對多CPU，大數據量的環境。Parallel Collector又可以分為以下兩種：
Parallel Copying Collector
此種GC用-XX:UseParNewGC參數配置,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-XX:UseConcMarkSweepGC配置，此GC主要用于老生代和Perm代的收集。
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