《深入理解Java虚拟机》笔记<1-自动内存管理机制>

《深入理解Java虚拟机》笔记<1-自动内存管理机制>

15 2019-06-23 23:16:09

## Java内存区域与内存溢出异常
### JVM运行时数据区
![](/img/pic/2019062514475609428_png_817_506_106550)
> Java使用的内存大致被划分为5个部分

**程序计数器**
参考计算机组成原理，程序计数器跟线程是绑定的，因此是线程私有的。
**虚拟机栈**
参考计算机组成原理，是运行Java方法时使用的栈，每个静态或非静态方法执行时会创建一个栈帧用于存储方法信息、局部变量（包括基本类型和对象引用，至于引用指向的对象则保存在堆中）等，线程私有。
很明显，如果递归层次过深会导致StackOverflowError。
**本地方法栈**
运行Native方法时使用的栈，线程私有。
**方法区**
也就是Perm Generation，永久代。
用于存放已被加载的类信息、每个对象保存的类型数据、常量（Java7开始已不包括字符串常量池）、静态变量等，JVM加载类后将Class文件中定义的常量保存在这里。
由于存放的信息基本是常量性质的，因此是非线程私有的。
**堆**
保存对象实例，非线程私有。
如果持有对象过多内存不足会导致OutOfMemoryError。

### 对象的定位
**通过句柄**
部分虚拟机实现中，非常量或静态变量的引用（也就是方法栈帧中保存的局部变量）指向的是句柄池中的指针，而句柄池中的指针指向的是真正的对象实例数据（堆中）或对象类型数据（方法区中）。
这种方式的好处是引用直接指向的句柄池地址是不变的，而在句柄池中的指针由于GC的移动或复制等可能经常变化。
![](/img/pic/2019062514495692129_png_741_336_130833)
> 句柄访问

**通过直接指针**
引用直接指向目标对象的对象实例数据（堆中）或对象类型数据（方法区中），在对象访问非常频繁的情况下减少一次寻址开销。
HotSpot使用到的是直接指针定位。
![](/img/pic/2019062514510678330_png_762_318_113312)
> 直接访问

## 垃圾收集器与内存分配策略
### 判断对象无引用
**引用计数法**
直接对该对象被持有引用数量计数，计数为0时则没有引用，可以回收。
- 优点：实现简单，效率高
- 缺点：存在循环引用问题

**可达性分析法**
将一部分特殊对象作为GC Root，以此开始搜索其引用的对象，形成引用链。如果某对象不属于引用链，表明引用不可达，可以回收。
- 优点：解决循环引用问题
- 缺点：统计过程中的引用变化会影响分析结果

GC Root通常包括：
- 虚拟机栈或本地方法栈中引用的对象
- 方法区中常量或静态属性引用的对象

### 执行收集的过程
1. 标记某对象不可达
2. 将覆盖了`finalize()`方法且该方法没有被调用过的不可达对象入队，其他对象直接回收
3. 执行队列中对象的`finalize()`方法，不保证执行完毕
4. 标记队列中仍旧不可达的对象
5. 回收

因此，如果一个对象覆盖了`finalize()`方法，则会入队；
如果在入队后，在`finalize()`方法中将自己挂上GC Root的引用链，那么就不会被回收；
但是`finalize()`方法只会执行一次。

### 堆的空间划分
一般而言堆划分为新生代（Young Generation，包括Eden Space和Survivor Space）、老年代（Old Generation）、永久代（Perm Generation），通过`jmap -heap {pid}`可以查看堆使用状况。
以下是使用G1垃圾收集器的堆分配与使用情况。
```shell
:/path/to/jdk/bin$ ./jmap -heap 25981
Attaching to process ID 25981, please wait...
Debugger attached successfully.
Server compiler detected.
JVM version is 24.72-b04

using thread-local object allocation.
Garbage-First (G1) GC with 1 thread(s)

Heap Configuration:
   MinHeapFreeRatio = 40
   MaxHeapFreeRatio = 70
   MaxHeapSize      = 536870912 (512.0MB)
   NewSize          = 1363144 (1.2999954223632812MB)
   MaxNewSize       = 17592186044415 MB
   OldSize          = 5452592 (5.1999969482421875MB)
   NewRatio         = 2
   SurvivorRatio    = 8
   PermSize         = 20971520 (20.0MB)
   MaxPermSize      = 134217728 (128.0MB)
   G1HeapRegionSize = 1048576 (1.0MB)

Heap Usage:
G1 Heap:
   regions  = 410
   capacity = 429916160 (410.0MB)
   used     = 286785552 (273.50001525878906MB)
   free     = 143130608 (136.49998474121094MB)
   66.7073207948266% used
G1 Young Generation:
Eden Space:
   regions  = 180
   capacity = 245366784 (234.0MB)
   used     = 188743680 (180.0MB)
   free     = 56623104 (54.0MB)
   76.92307692307692% used
Survivor Space:
   regions  = 25
   capacity = 26214400 (25.0MB)
   used     = 26214400 (25.0MB)
   free     = 0 (0.0MB)
   100.0% used
G1 Old Generation:
   regions  = 70
   capacity = 158334976 (151.0MB)
   used     = 71827472 (68.50001525878906MB)
   free     = 86507504 (82.49998474121094MB)
   45.36424851575435% used
Perm Generation:
   capacity = 44040192 (42.0MB)
   used     = 43632120 (41.61083221435547MB)
   free     = 408072 (0.38916778564453125MB)
   99.07341003417969% used
```

### 垃圾收集算法
**标记清除**
1. 引用分析，对不可达对象打标记
2. 清除被标记的对象

![](/img/pic/2019062514524598031_png_851_453_162223)
优点：简单，不需要移动对象
缺点：产生内存碎片

**标记复制**
1. 引用分析
2. 将存活对象复制到另一块内存
3. 整块回收原本那块内存

![](/img/pic/2019062514530790732_png_857_464_211853)
优点：不产生碎片，清除大块连续空间效率比较高
缺点：浪费部分内存

新生代对象基本是使用标记复制的方法。

**标记整理**
1. 引用分析
2. 类似选择排序，将存活对象移动到一起，消除内存碎片
3. 清除其他连续内存

![](/img/pic/2019062514532839733_png_789_418_70129)
优点：不产生碎片，不浪费内存
缺点：未知

### 新生代垃圾收集器
**Serial**
- 使用标记复制算法
- 单线程
- 无法与用户线程并发，整个收集过程处于Stop The World

**ParNew**
- 使用标记复制算法
- 多线程
- 无法与用户线程并发，整个收集过程处于Stop The World

**Parallel Scavenge**
- 使用标记复制算法
- 多线程
- 无法与用户线程并发，整个收集过程处于Stop The World
- 可控制吞吐量和最大GC停顿时间

### 老年代垃圾收集器
**Serial Old**
- 使用标记整理算法
- 单线程
- 无法与用户线程并发，整个收集过程处于Stop The World

**Parallel Old**
- 使用标记整理算法
- 多线程
- 无法与用户线程并发，整个收集过程处于Stop The World
- 可控制吞吐量和最大GC停顿时间

**CMS**
- 使用标记清除算法/标记整理算法
- 多线程
- 中间部分过程处于Stop The World，其他过程可与用户现场并发

CMS收集清理过程：
1. **初始标记**：找到GC Root直接关联的对象，Stop The World，单线程，工作量小耗时低
2. **并发标记**：搜索初始标记相关的完整引用链，可与用户线程并发完成，单线程，工作量大耗时较高
3. **重新标记**：寻找在并发标记过程中被用户线程修改的引用情况，Stop The World，多线程，工作量稍大但耗时较低
4. **并发清理**：清理被标记的对象，可与用户线程并发完成，单线程，工作量大耗时较高

![](/img/pic/2019062514550753234_png_935_183_97013)
> CMS收集清理过程

### 新生代与老年代共用
**G1**
- 参考前文G1堆分配与使用情况，仍使用分代，但以Region为单位
- 使用标记整理（Region内）+标记复制（Region之间）算法
- 优先回收价值大的Region，即垃圾空间大小与回收所需时间的经验值

G1收集清理过程：
1. **初始标记**：找到GC Root直接关联的对象，Stop The World，单线程，工作量小耗时低
2. **并发标记**：搜索初始标记相关的完整引用链，可与用户线程并发完成，单线程，工作量大耗时较高
3. **最终标记**：寻找在并发标记过程中被用户线程修改的引用情况，Stop The World，多线程，工作量稍大但耗时较低
4. **筛选回收**：清理价值高的Region，Stop The World，多线程，但吞吐量和耗时可控

![](/img/pic/2019062514560335135_png_951_205_136999)
> G1收集清理过程

### HotSpot的GC过程
**枚举根节点**
从GC Root的对象开始分析所有可达的存活对象，那么首先就需要找出所有GC Root节点。
这一步需要Stop The World。

**到达安全点或安全区域**
GC线程对活动线程设置标记，所有其他线程在到达方法调用、循环跳转、异常跳转时进入Safe Point安全点；或是检查到线程处于Sleep等未获取CPU时间的状态时认为其进入了Safe Region。
安全点或安全区域可以认为是GC收集器可以安全进行收集和清理的时机。

**使用垃圾收集器收集和清理垃圾**
使用指定的垃圾收集器收集并清理垃圾，期间可能经过MinorGC或FullGC/MajorGC。
- MinorGC：新生代GC，比较频繁，由于新生代存活率低，回收速度较快
- FullGC/MajorGC：老年代GC，不频繁，一般还会伴随MinorGC，回收速度慢

### 内存分配与回收策略
**优先在Eden分配**
新对象一般优先在Eden分配，Eden空间不足时触发MinorGC。
MinorGC过程中Eden区及使用中的Survivor区的存活对象被标记复制到另一个空闲Survivor区。
这样一来新生代浪费了一个Survivor区的空间，不过由于新生代存活率低（每次GC约2%存活），默认空间大小Eden : Survivor = 8 : 1，也就是说浪费了新生代10%空间。

**大对象直接进入老年代**
大小超过阈值的对象直接分配在老年代中，避免频繁复制大对象。
老年代空间不足显然需要进行MajorGC。

**长期存活的对象进入老年代**
每次MinorGC会给存活对象年龄自增1，默认年龄达到15后或晋升到老年代。
老年代空间不足显然需要进行MajorGC。

**动态年龄判断**
同年龄对象占用空间达到Survivor区一半时，大于等于这个年龄的对象都会进入老年代。
老年代空间不足显然需要进行MajorGC。

**空间分配担保**
Survivor区放不下的对象可以分配在老年代，这也就是老年代为新生代分配担保。因此，需要老年代预留出一部分空间用于应对担保。
Survivor区放不下，意味着此时在进行MinorGC，所以空间担保检查需要在MinorGC开始前进行。
- 老年代最大可用连续空间大于新生代已用总空间，那显然担保无风险，MinorGC可进行
- 老年代最大可用连续空间大于历次晋升到老年代对象的平均大小，说明担保有风险，但MinorGC可进行
- 其他情况，担保有较大风险，需要先进行一次MajorGC