GC入门和JAVA内存

GC算法

一、对象存活判断

在正式进入GC算法之前先要了解JVM是怎么在GC过程判断对象存活的。

常见的判断方法有以下两种

1. 引用计数法

简而言之就是给 Java 对象添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器 +1；引用失效则 -1。当GC发生时把引用为0的全部清理掉

比如：

A a = new A();
B b = new B();
a.b = b;

对象a引用了对象b,a的计数器为0，b的计数器为1，当GC发生时a被回收，b的计数器-1变成0，下一次GC发生时b就会被回收。

这个方法虽然简单粗暴，但是有一个致命性的问题，那就是无法判断循环引用

A a = new A();
B b = new B();
a.b = b;
b.a = a;

比如遇到这种情况，即使a和b没有被其他对象引用，也无法被回收。

2. 可达性分析

将一系列的 GC Roots 对象作为起点，从这些起点开始向下搜索，所有在引用链中的对象即为存活对象。

可作为 GC Root 的对象有：

  1. Java虚拟机栈（栈帧的本地变量表）中引用的对象
  2. 本地方法栈 中 JNI引用对象
  3. 方法区 中常量、类静态属性引用的对象

二、GC算法

1. 复制算法

复制算法将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。这样使得每次都是对整个半区进行内存回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效。

复制算法的问题有两个：

  • 空间浪费，内存被分为2部分
  • 效率不稳定，当存活对象过多的时候，效率会非常低

2. 标记-清除算法

顾名思义，这种方法分为两个步骤，标记和清除

  • 标记步骤：GC开始的时候，JVM先从GC Roots开始遍历整个堆，将存活对象进行标记
  • 清除步骤：将未被标记的所有对象全部清理掉

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-O4lOKN0p-1691029166510)(https://joshua-1301529810.cos.ap-chengdu.myqcloud.com/img/%E6%A0%87%E8%AE%B0-%E6%B8%85%E9%99%A4%E7%AE%97%E6%B3%95.png)]

缺点：造成大量的内存碎片

3. 标记—整理算法

标记-整理是对标记-清除的改进，同样分为两个步骤，只是将清除换成了整理

  • 整理步骤：将被标记的对象全部移动到内存一端，然后将存活对象的后面内存全部释放

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-nyT1Kw7a-1691029166511)(https://joshua-1301529810.cos.ap-chengdu.myqcloud.com/img/%E6%A0%87%E8%AE%B0-%E6%95%B4%E7%90%86%E7%AE%97%E6%B3%95.png)]

4.分代收集

分代收集与其说是一种算法，不如说是解决方案。

分代收集将堆内存分为新生代和老年代，针对新生代和老年代的特性采用不同的GC算法进行回收。

新生代：创建和消亡频繁，存活率低，因此采用复制算法

老年代：存活率高，采用标记-清除或者标记-整理

当新生代的对象经过多次GC之后依然存活就会被复制到老年代

三、JVM的做法

JVM采用分代收集的方式进行GC，将堆内存分为了新生代、老年代和持久代，并且将新生代分为Eden、From Survivor、To Survivor三个区间

1. 内存区划分

  • 新生代: Eden + From Survivor(S0) + To Survivor(S1)
  • 老年代
  • 持久代：方法、static变量、JAVA类（1.8之后变为元空间，作用于本地内存，被所有JVM实例共享）

划分Survivor区的好处是防止老年代区被过快填满而发生Full GC，这个过程将会非常慢，如果没有Survivor做缓冲区，每次新生代发生GC都会转化为老年代，老年代很快就满了。

而将Survivor区分为两个区间是为了减少内存碎片，当发生GC的时候，会将Eden和From Survivor的所有存活对象复制到To Survivor，清空Eden和From Survivor，然后将From Survivor和To Survivor角色替换，这也是两个Survivor区大小一样的原因。

2. 内存区的比例

  • 新生代:老年代 = 1:2, 可通过参数-XX:NewRatio配置
  • Eden : S0 : S1 = 8 : 1 : 1, 可通过参数-XX:SurvivorRatio配置
  • 新生代转化为老年代的复制次数为15，可以通过参数-XX:+MaxTenuringThreshold配置

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-kD1qxk1A-1691029166511)(https://joshua-1301529810.cos.ap-chengdu.myqcloud.com/img/JVM%E5%A0%86%E5%86%85%E5%AD%98%E5%88%86%E4%BB%A3.jpg)]

JVM内存结构

根据《Java虚拟机规范》，JVM的内存数据结构分为以下几个部分
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-YdD15XEL-1691029166512)(https://joshua-1301529810.cos.ap-chengdu.myqcloud.com/img/JVM%E5%86%85%E5%AD%98%E7%BB%93%E6%9E%84.jpg)]

不过我们都知道JVM的实际制定不一定要完全按照规范，在JDK7以前HotSpot虚拟机都是以“永久代”的形式实现方法区，JDK7的时候将运行时常量池（包含类信息、字符串常量池等）移动到了堆内存中，而在JDK8使用了“元空间”完全代替了老年代，但是元空间是放在本地内存中，由多个JVM实例锁共享的，所以这和《Java虚拟机规范》中方法区在JVM实例内部已经不符合了。

1. 方法区

方法区存储了类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。
在Hotspot虚拟机中对于该区域的实现发生了多次的变化。

  • JDK6以前：使用永久代实现方法区
  • JDK7：依然使用永久代保存类型信息，但是常量池和静态变量移动到了堆内存
  • JDK8: 使用元空间实现方法区，且元空间存在于本地内存，多个JVM共享，这意味着常量池可以被多个JVM共享，减少了内存的消耗

所以JAVA8中的实际内存结构应该是这样的：
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-psyNWBuZ-1691029166512)(https://joshua-1301529810.cos.ap-chengdu.myqcloud.com/img/Java8%E5%86%85%E5%AD%98%E7%BB%93%E6%9E%84.jpg)]

2. 堆

这个很熟悉了，堆是整个JVM管理的内存中最大的一块，它的唯一目的就是存储对象，Java对象几乎全部都存放在对上，《Java虚拟机规范》中提到所有的对象和数组都应当在对上分配（其实数组也是一个特殊的对象，只不过是由虚拟机操作字节码生成的，格式为[Lxxx.xxx.xxx）,之所以说是几乎是因为现在Java确实存在这种手段。

在GC算法的笔记中中也提到过，HotSpot采用分代收集做GC收集，所以JVM堆从逻辑上分为了新生代和老年代（默认比例1：2），其中新生代由由Eden和2个Survivor区组成（默认比例8：1：1）。之所以说是“逻辑上”是因为从G1收集器开始已经出现了不使用分代进行GC的做法，在这种情况下JVM仅保留了逻辑概念上的分代，以便于使用分代回收的收集器依然能够工作。以G1收集器来看，它就是将整个堆分为若干个小块，每次进行GC的时候会根据哪块内存中存放的垃圾最多，将存活的对象复制到新的块中，然后释放掉这一块内存，所以在G1收集器下新生代和老年代都是一部分内存块的集合罢了。

3. 虚拟机栈

每个线程都会拥有其对应的栈，其生命周期是和线程一致的。

虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，JAVA虚拟机都会同步创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口德国信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

4. 本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈功能很相近，区别就是本地方法栈是为Native方法服务，《Java虚拟机规范》中没有对本地方法栈做任何规定，甚至于连我们的HotSpot就直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一了。

5. 程序计数器

这个放在最后主要是因为这部分对于开发者没有直接关系，它只和JVM执行JAVA字节码有关系。我们可以将程序计数器比作字节码的行号指示器，它记录了当前线程执行的是那一条字节码指令，从而可以让线程在切换后恢复到正确的执行位置。

如果线程正在执行的是Java方法，这个计数器记录的就是字节码指令的地址；如果执行的是native方法，这个计数器值就该为Undefined，程序计数器也是《Java虚拟机规范》中唯一一个没有规定OOM的区域。

JVM参数

1.常用JVM参数

  • -Xms:初始堆大小
  • -Xmx:最大堆大小
  • -Xmn:新生代大小
  • -XX:NewRatio:设置新生代和老年代的比值。如：为3，表示年轻代与老年代比值为1：3
  • -XX:SurvivorRatio:新生代中Eden区与两个Survivor区的比值，数值为Eden区占比，默认为8。注意Survivor区有两个。如：为3，表示Eden：Survivor1: Survivor2 =3:1:1，一个Eden区占整个新生代的1/5
  • -XX:MaxTenuringThreshold:设置转入老年代的存活次数。如果是0，则跳过Survivor直接进入老年代
  • -XX:PermSize、-XX:MaxPermSize:分别设置永久代最小大小与最大大小（Java8以前）
  • -XX:MetaspaceSize、-XX:MaxMetaspaceSize:分别设置元空间最小大小与最大大小（Java8以后）

2.收集器设置

  • -XX:+UseSerialGC:使用Serial+SerialOld
  • -XX:+UseParallelGC:使用ParallelScavenge+SerialOld
  • -XX:+UseParalledlOldGC:使用ParallelScavenge+ParallelOld (JDK8默认组合)
  • -XX:+UseConcMarkSweepGC:使用ParNew+(CMS & SerialOld)
  • -XX:+UseG1GC:使用G1 （JDK9之后默认）

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