推荐收藏系列：一文理解JVM虚拟机（内存、垃圾回收、性能优化）解决面试中遇到问题

时间 2019-11-06

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一. JVM内存区域的划分

1.1 java虚拟机运行时数据区

java虚拟机运行时数据区分布图：java

JVM栈（Java Virtual Machine Stacks）： Java中一个线程就会相应有一个线程栈与之对应，由于不一样的线程执行逻辑有所不一样，所以须要一个独立的线程栈，所以栈存储的信息都是跟当前线程（或程序）相关信息的，包括局部变量、程序运行状态、方法返回值、方法出口等等。每个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
堆（Heap）： 堆是全部线程共享的，主要是存放对象实例和数组。处于物理上不连续的内存空间，只要逻辑连续便可
方法区（Method Area）： 属于共享内存区域，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
常量池（Runtime Constant Pool）： 它是方法区的一部分，用于存放编译期生成的各类字面量和符号引用。
本地方法栈（Native Method Stacks）：

其中，堆(Heap)和JVM栈是程序运行的关键,由于：程序员

栈是运行时的单位（解决程序的运行问题，即程序如何执行，或者说如何处理数据），而堆是存储的单位（解决的是数据存储的问题，即数据怎么放、放在哪儿）。
堆存储的是对象。栈存储的是基本数据类型和堆中对象的引用；（参数传递的值传递和引用传递）

那为何要把堆和栈区分出来呢？栈中不是也能够存储数据吗？算法

从软件设计的角度看，栈表明了处理逻辑，而堆表明了数据，分工明确，处理逻辑更为清晰体现了“分而治之”以及“隔离”的思想。
堆与栈的分离，使得堆中的内容能够被多个栈共享（也能够理解为多个线程访问同一个对象）。这样共享的方式有不少收益：提供了一种有效的数据交互方式(如：共享内存)；堆中的共享常量和缓存能够被全部栈访问，节省了空间。
栈由于运行时的须要，好比保存系统运行的上下文，须要进行地址段的划分。因为栈只能向上增加，所以就会限制住栈存储内容的能力。而堆不一样，堆中的对象是能够根据须要动态增加的，所以栈和堆的拆分，使得动态增加成为可能，相应栈中只需记录堆中的一个地址便可。
堆和栈的结合完美体现了面向对象的设计。当咱们将对象拆开，你会发现，对象的属性便是数据，存放在堆中；而对象的行为（方法）便是运行逻辑，放在栈中。所以编写对象的时候，其实即编写了数据结构，也编写的处理数据的逻辑。

1.2 堆(Heap)和JVM栈：

1.2.1 堆(Heap)

Java堆是java虚拟机所管理内存中最大的一块内存空间，处于物理上不连续的内存空间，只要逻辑连续便可，主要用于存放各类类的实例对象。该区域被全部线程共享，在虚拟机启动时建立，用来存放对象的实例，几乎全部的对象以及数组都在这里分配内存（栈上分配、标量替换优化技术的例外）。
在 Java 中，堆被划分红两个不一样的区域：新生代 ( Young )、老年代 ( Old )。新生代 ( Young ) 又被划分为三个区域：Eden、From Survivor(S0)、To Survivor(S1)。如图所示：数组

堆的内存布局: 缓存

这样划分的目的是为了使jvm可以更好的管理内存中的对象，包括内存的分配以及回收。而新生代按eden和两个survivor的分法，是为了安全

有效空间增大，eden+1个survivor；
有利于对象代的计算，当一个对象在S0/S1中达到设置的XX:MaxTenuringThreshold值后，会将其挪到老年代中，即只需扫描其中一个survivor。若是没有S0/S1,直接分红两个区，该如何计算对象通过了多少次GC还没被释放。
两个Survivor区可解决内存碎片化

1.2.2 堆栈相关的参数

参数	描述
-Xms	堆内存初始大小，单位m、g
-Xmx	堆内存最大容许大小，通常不要大于物理内存的80%
-Xmn	年轻代内存初始大小
-Xss	每一个线程的堆栈大小，即JVM栈的大小
-XX:NewRatio	年轻代(包括Eden和两个Survivor区)与年老代的比值
-XX:NewSzie(-Xns)	年轻代内存初始大小,能够缩写-Xns
-XX:MaxNewSize(-Xmx)	年轻代内存最大容许大小，能够缩写-Xmx
-XX:SurvivorRatio	年轻代中Eden区与Survivor区的容量比例值，默认为8，即8:1
-XX:MinHeapFreeRatio	GC后，若是发现空闲堆内存占到整个预估堆内存的40%，则放大堆内存的预估最大值，但不超过固定最大值。
-XX:MaxHeapFreeRatio	预估堆内存是堆大小动态调控的重要选项之一。堆内存预估最大值必定小于或等于固定最大值(-Xmx指定的数值)。前者会根据使用状况动态调大或缩小，以提升GC回收的效率，默认70%
-XX:MaxTenuringThreshold	垃圾最大年龄，设置为0的话,则年轻代对象不通过Survivor区,直接进入年老代。对于年老代比较多的应用,能够提升效率.若是将此值设置为一个较大值,则年轻代对象会在Survivor区进行屡次复制,这样能够增长对象再年轻代的存活时间,增长在年轻代即被回收的几率
-XX:InitialTenuringThreshold	能够设定老年代阀值的初始值
-XX:+PrintTenuringDistribution	查看每次minor GC后新的存活周期的阈值

Note： 每次GC 后会调整堆的大小，为了防止动态调整带来的性能损耗，通常设置-Xms、-Xmx 相等。
新生代的三个设置参数：-Xmn，-XX:NewSize，-XX:NewRatio的优先级：
（1）.最高优先级： -XX:NewSize=1024m和-XX:MaxNewSize=1024m
（2）.次高优先级： -Xmn1024m （默认等效效果是：-XX:NewSize==-XX:MaxNewSize==1024m）
（3）.最低优先级：-XX:NewRatio=2
推荐使用的是-Xmn参数，缘由是这个参数很简洁，至关于一次性设定NewSize和MaxNewSIze，并且二者相等。性能优化

1.3 jvm对象

1.3.1 建立对象的方式

各个方式的实质操做以下：

方式	实质
使用new关键	调用无参或有参构造器函数建立
使用Class的newInstance方法	调用无参或有参构造器函数建立，且须要是publi的构造函数
使用Constructor类的newInstance方法	调用有参和私有private构造器函数建立，实用性更广
使用Clone方法	不调用任何参构造器函数，且对象须要实现Cloneable接口并实现其定义的clone方法，且默认为浅复制
第三方库Objenesis	利用了asm字节码技术，动态生成Constructor对象

1.3.2 jvm对象分配

在虚拟机层面上建立对象的步骤：数据结构

步骤	解析
一、判断对象对应的类是否加载、连接、初始化	虚拟机遇到一条new指令，首先去检查这个指令的参数可否在常量池中定位到一个类的符号引用，而且检查这个符号引用表明的类是否已经被加载、解析和初始化。若是没有，那么必须先执行类的加载、解释、初始化（类的clinit方法）。
二、为对象分配内存	类加载检查经过后，虚拟机为新生对象分配内存。对象所需内存大小在类加载完成后即可以彻底肯定，为对象分配空间无非就是从Java堆中划分出一块肯定大小的内存而已。
三、处理并发安全问题	另一个问题及时保证new对象时候的线程安全性：建立对象是很是频繁的操做，虚拟机须要解决并发问题。虚拟机采用了两种方式解决并发问题: （1）CAS配上失败重试的方式保证指针更新操做的原子性; （2）TLAB 把内存分配的动做按照线程划分在不一样的空间之中进行，即每一个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲区，（TLAB ，Thread Local Allocation Buffer）虚拟机是否使用TLAB，能够经过-XX:+/-UseTLAB参数来设定。
四、初始化分配到的空间	内存分配结束，虚拟机将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头）。这一步保证了对象的实例字段在Java代码中能够不用赋初始值就能够直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值
五、设置对象的对象头	将对象的所属类（即类的元数据信息）、对象的HashCode和对象的GC分代年龄等数据存储在对象的对象头中
六、执行init方法进行初始化	在Java程序的视角看来，初始化才正式开始，开始调用方法完成初始赋值和构造函数，全部的字段都为零值。所以通常来讲（由字节码中是否跟随有invokespecial指令所决定），new指令以后会接着就是执行方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算彻底建立出来。

1.3.3 对象分配内存方式

分配对象内存，有两种分配方式，指针碰撞和空闲列表：
（1）若是内存是规整的，那么虚拟机将采用的是指针碰撞法（Bump The Pointer）来为对象分配内存。意思是全部用过的内存在一边，空闲的内存在另一边，中间放着一个指针做为分界点的指示器，分配内存就仅仅是把指针向空闲那边挪动一段与对象大小相等的距离罢了。若是垃圾收集器选择的是Serial、ParNew这种基于压缩算法的，虚拟机采用这种分配方式。通常使用带有compact（整理）过程的收集器时，使用指针碰撞。
（2）若是内存不是规整的，已使用的内存和未使用的内存相互交错，那么虚拟机将采用的是空闲列表法来为对象分配内存。意思是虚拟机维护了一个列表，记录上哪些内存块是可用的，再分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的内容。这种分配方式成为“空闲列表（Free List）”。并发

Note： 选择哪一种分配方式由Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。app

1.3.4 那什么样的对象可以进入老年代(Old)

那什么样的对象可以进入老年代(Old)？

1.4 内存分配与回收策略

状况	解析
1.对象优先在Eden分配	大多数状况下，对象在新生代Eden区中分配，当Eden区没有足够的空间进行分配时，虚拟机将发起一次Minor GC；虚拟机提供了-XX:PrintGCDetails参数，发生垃圾回收时打印内存回收日志，而且在进程退出时输出当前内存各区域的分配状况。
2.大对象直接进入老年代	所谓的大对象就是指，须要大量连续内存空间的java对象，最典型的大对象就是那种很长的字符串及数组。虚拟机提供了一个-XX:PretenureSizeThreshold参数，令大于这个设置值得对象直接在老年代中分配（这样作的目的是避免在Eden区及两个Survivor之间发生大量的内存拷贝）
3.长期存活的对象将直接进入老年代	对象年龄计数器。-XX:MaxTenuringThreshold
四、动态对象年龄断定	虚拟机并不老是要求对象的年龄必须达到MaxTenuringThreshold才能晋升老年代，若是在Survivor空间中相同年龄全部对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象就能够直接进入老年代，无需等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄。
五、空间分配担保	在发生Minor GC时（前），虚拟机会检测以前每次晋升到老年代的平均大小（由于当次会有多少对象会存活是没法肯定的，因此取以前的平均值/经验值）是否大于老年代的剩余空间大小，若是大于，则改成直接进行一次Full GC。若是小于，则查看HandlePromotionFailure设置是否容许担保失败；若是容许，那只会进行Minor GC；若是不容许，则也要改成进行一次Full GC。取平均值进行比较其实仍然是一种动态几率手段，也就是说若是某次Minor GC存活后的对象突增，远远高于平均值的话，依然会致使担保失败（Handle Promotion Failure），这样会触发Full GC。

二垃圾回收算法分类

2.1 引用

2.2 GC Root的对象

2.3 标记-清除（Mark—Sweep）

被誉为现代垃圾回收算法的思想基础。

标记-清除算法采用从根集合进行扫描，对存活的对象对象标记，标记完毕后，再扫描整个空间中未被标记的对象，进行回收，如上图所示。标记-清除算法不须要进行对象的移动，而且仅对不存活的对象进行处理，在存活对象比较多的状况下极为高效，但因为标记-清除算法直接回收不存活的对象，所以会形成内存碎片。

2.4 复制算法（Copying）

该算法的提出是为了克服句柄的开销和解决堆碎片的垃圾回收。创建在存活对象少，垃圾对象多的前提下。此算法每次只处理正在使用中的对象，所以复制成本比较小，同时复制过去后还能进行相应的内存整理，不会出现碎片问题。但缺点也是很明显，就是须要两倍内存空间。

它开始时把堆分红一个对象面和多个空闲面，程序从对象面为对象分配空间，当对象满了，基于copying算法的垃圾收集就从根集中扫描活动对象，并将每一个活动对象复制到空闲面(使得活动对象所占的内存之间没有空闲洞)，这样空闲面变成了对象面，原来的对象面变成了空闲面，程序会在新的对象面中分配内存。一种典型的基于coping算法的垃圾回收是stop-and-copy算法，它将堆分红对象面和空闲区域面，在对象面与空闲区域面的切换过程当中，程序暂停执行。

2.5 标记-整理（或标记-压缩算法，Mark-Compact，又或者叫标记清除压缩MarkSweepCompact）

此算法是结合了“标记-清除”和“复制算法”两个算法的优势。避免了“标记-清除”的碎片问题，同时也避免了“复制”算法的空间问题。

标记-整理算法采用标记-清除算法同样的方式进行对象的标记，但在清除时不一样，在回收不存活的对象占用的空间后，会将全部的存活对象往左端空闲空间移动，并更新对应的指针。标记-整理算法是在标记-清除算法的基础上，又进行了对象的移动，所以成本更高，可是却解决了内存碎片的问题。在基于Compacting算法的收集器的实现中，通常增长句柄和句柄表。

2.6 分代回收策略（Generational Collecting）

基于这样的事实：不一样的对象的生命周期是不同的。所以，不一样生命周期的对象能够采起不一样的回收算法，以便提升回收效率。

新生代因为其对象存活时间短，且须要常常gc，所以采用效率较高的复制算法，其将内存区分为一个eden区和两个suvivor区，默认eden区和survivor区的比例是8:1，分配内存时先分配eden区，当eden区满时，使用复制算法进行gc，将存活对象复制到一个survivor区，当一个survivor区满时，将其存活对象复制到另外一个区中，当对象存活时间大于某一阈值时，将其放入老年代。老年代和永久代由于其存活对象时间长，所以使用标记清除或标记整理算法

总结：

新生代：复制算法（新生代回收的频率很高，每次回收的耗时很短，为了支持高频率的新生代回收，虚拟机可能使用一种叫作卡表（Card Table）的数据结构，卡表为一个比特位集合，每一个比特位能够用来表示老年代的某一区域中的全部对象是否持有新生代对,

2.7 垃圾回收器

垃圾回收器的任务是识别和回收垃圾对象进行内存清理，不一样代可以使用不一样的收集器：

新生代收集器使用的收集器：Serial、ParNew、Parallel Scavenge；
老年代收集器使用的收集器：Serial Old（MSC）、Parallel Old、CMS。

总结：

Serial old和新生代的全部回收器都能搭配；也能够做为CMS回收器的备用回收器；
CMS只能和新生代的Serial和ParNew搭配，并且ParNew是CMS默认的新生代回收器；
并行（Parallel）：指多条垃圾收集线程并行工做，但此时用户线程仍然处于等待状态
并发（Concurrent）：指用户线程和垃圾收集线程同时执行（但不必定是并行的，多是交替执行），用户程序继续运行，而垃圾收集程序运行在另外的CPU上。

三. GC的执行机制

Java 中的堆(deap) 也是 GC 收集垃圾的主要区域。因为对象进行了分代处理，所以垃圾回收区域、时间也不同。GC有两种类型：Scavenge GC（Minor GC）和Full GC（Major GC）。

Scavenge GC(Minor GC): 通常状况下，当新对象生成（age=0），而且在Eden申请空间失败时，就会触发Scavenge GC，对Eden区域进行GC，清除非存活对象，而且把尚且存活的对象移动到Survivor区（age+1）。而后整理（实际上是复制过去就顺便整理了）Survivor的两个区。这种方式的GC是对年轻代的Eden区进行，不会影响到年老代。由于大部分对象都是从Eden区开始的，同时Eden区不会分配的很大，因此Eden区的GC会频繁进行。于是，通常在这里须要使用速度快、效率高的算法（即复制-清理算法），使Eden去能尽快空闲出来。Java 中的大部分对象一般不需长久存活，具备朝生夕灭的性质。
Full GC: 对整个堆进行整理，包括Young、Tenured和Perm。Full GC由于须要对整个对进行回收，因此比Scavenge GC要慢，所以应该尽量减小Full GC的次数。在对JVM调优的过程当中，很大一部分工做就是对于FullGC的调节。

3.1 触发Full GC执行的场景

3.2 Young GC触发条件

3.3 新生对象GC收回流程

基于大多数新生对象都会在GC中被收回的假设。新生代的GC 使用复制算法，（将年轻代分为3部分，主要是为了生命周期短的对象尽可能留在年轻代。老年代主要存放生命周期比较长的对象，好比缓存）。可能经历过程：

对象建立时，通常在Eden区完成内存分配（有特殊）；
当Eden区满了，再建立对象，会由于申请不到空间，触发minorGC，进行young(eden+1survivor)区的垃圾回收；
minorGC时，Eden和survivor A不能被GC回收且年龄没有达到阈值（tenuring threshold）的对象，会被放入survivor B，始终保证一个survivor是空的；
当作第3步的时候，若是发现survivor满了，将这些对象copy到old区（分配担保机制）；或者survivor并无满，可是有些对象已经足够Old，也被放入Old区 XX:MaxTenuringThreshold；（回顾下对象进入老年代的状况）
直接清空eden和survivor A；
当Old区被放满的以后，进行fullGC。

3.4 GC日志

GC日志相关参数:

-XX:+PrintGC：输出GC日志
-XX:+PrintGCDetails：输出GC的详细日志
-XX:+PrintGCTimeStamps：输出GC的时间戳（以基准时间的形式）
-XX:+PrintGCApplicationStoppedTime：打印垃圾回收期间程序暂停的时间
-XX:+PrintGCApplicationConcurrentTime：打印每次垃圾回收前，程序未中断的执行时间
-XX:+PrintHeapAtGC：在进行GC的先后打印出堆的信息
-XX:+PrintTLAB：查看TLAB空间的使用状况
-XX:PrintTenuingDistribution：查看每次minor GC后新的存活周期的阈值
-XX:PrintReferenceFC：用来跟踪系统内的(softReference)软引用，(weadReference)弱引用,(phantomReference)虚引用，显示引用过程

案例分析：-XX:+PrintGCApplicationStoppedTime -XX:+PrintGCApplicationConcurrentTime一块儿使用

Application time: 0.3440086 seconds
    Total time for which application threads were stopped: 0.0620105 seconds
    Application time: 0.2100691 seconds
    Total time for which application threads were stopped: 0.0890223 seconds
复制代码

得知应用程序在前344毫秒中是在处理实际工做的，而后将全部线程暂停了62毫秒，紧接着又工做了210ms，而后又暂停了89ms。

2796146K->2049K(1784832K)] 4171400K->2049K(3171840K), [Metaspace: 3134K->3134K(1056768K)], 0.0571841 secs] [Times: user=0.02 sys=0.04, real=0.06 secs]
Total time for which application threads were stopped: 0.0572646 seconds, Stopping threads took: 0.0000088 seconds
复制代码

应用线程被强制暂停了57ms来进行垃圾回收。其中又有8ms是用来等待全部的应用线程都到达安全点。

只要设置-XX:+PrintGCDetails 就会自动带上-verbose:gc和-XX:+PrintGC

33.125: [GC [DefNew: 3324K->152K(3712K), 0.0025925 secs] 3324K->152K(11904K), 0.0031680 secs]    
100.667: [Full GC [Tenured: 0K->210K(10240K), 0.0149142 secs] 4603K->210K(19456K), [Perm : 2999K->2999K(21248K)], 0.0150007 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.02 secs]
复制代码

最前面的数字“33.125：”和“100.667：”表明了GC发生的时间，这个数字的含义是从Java虚拟机启动以来通过的秒数。
GC日志开头的“［GC”和“［Full GC”说明了此次垃圾收集的停顿类型，而不是用来区分新生代GC仍是老年代GC的。若是有“Full”，说明此次GC是发生了Stop-The-World的。
接下来的“［DefNew”、“［Tenured”、“［Perm”表示GC发生的区域，这里显示的区域名称与使用的GC收集器是密切相关的，例如上面样例所使用的Serial收集器中的新生代名为“Default New Generation”，因此显示的是“［DefNew”。若是是ParNew收集器，新生代名称就会变为“［ParNew”，意为“Parallel New Generation”。若是采用Parallel Scavenge收集器，那它配套的新生代称为“PSYoungGen”，老年代和永久代同理，名称也是由收集器决定的。
后面方括号内部的“3324K->152K(3712K)”含义是“GC前该内存区域已使用容量-> GC后该内存区域已使用容量 (该内存区域总容量)”。而在方括号以外的“3324K->152K(11904K)”表示“GC前Java堆已使用容量 -> GC后Java堆已使用容量 (Java堆总容量)”。
再日后，“0.0025925 secs”表示该内存区域GC所占用的时间，单位是秒。有的收集器会给出更具体的时间数据
[Full GC 283.736: [ParNew: 261599K->261599K(261952K), 0.0000288 secs] 新生代收集器ParNew的日志也会出现“［Full GC”（这通常是由于出现了分配担保失败之类的问题，因此才致使STW）。若是是调用System.gc()方法所触发的收集，那么在这里将显示“［Full GC (System)”。