关于jvm:从10个问题切入带大家了解JVM的方方面面

每个 java 开发同学不论是日常工作中还是面试里，都会遇到 JDK、JVM 和 GC 的问题。本文会从以下 10 个问题为切入点，带着大家一起全面理解一下 JVM 的方方面面。

1. JVM、JRE 和 JDK 的区别和分割
2. JVM 是什么？以及它的次要作用
3. JVM 的外围性能有哪些
4. 类加载机制和过程
5. 运行时数据区的逻辑构造
6. JVM 的内存模型
7. 如何确定对象是垃圾
8. 垃圾收集的算法有哪些
9. 各种问世的垃圾收集器
10. JVM 调优的参数配置

上一篇文章结尾时咱们谈到，就 JVM 的设计规范，从应用用处角度 JVM 的内存大体的分为：线程公有内存区 和 线程共享内存区。

线程公有内存区在类加载器编译某个 class 文件时就确定了执行时须要的“程序计数器”和“虚构栈帧”等所需的空间，并且会随同着以后执行线程的产生而产生，执行线程的沦亡而沦亡，因而“线程公有内存区”并不需要思考内存治理和垃圾回收的问题。线程共享内存区在虚拟机启动时创立，被所有线程共享，是 Java 虚拟机所治理内存中最应该关注的和最大的一块。首先咱们来一起看一下“线程共享内存区”的内存模型是什么样的？

6、JVM 的内存模型

如图所示，JVM 的内存构造分为堆和非堆两大块区域。

• 其中“非堆”就是上篇文章咱们提到的办法区或叫元数据区，用来存储 class 类信息的。
• 而“堆”是用来存储 JVM 各线程执行期间所创立的实例对象或数组的。堆辨别为两大块，一个是 Old 区，一个是 Young 区。Young 辨别为两大块，一个是 Survivor 区（S0+S1），一块是 Eden 区 S0 和 S1 一样大，也能够叫 From 和 To。

之所以这样划分，设计者的目标无非就是为了内存治理，也就是咱们说的垃圾回收。那么什么样的对象是垃圾？垃圾回收算法有哪些？目前罕用的垃圾回收器又有哪些？这篇文章咱们一起弄清楚这些问题和知识点。

7、如何确定一个对象是垃圾？

要想进行垃圾回收，得先晓得什么样的对象是垃圾。目前确认对象是否为垃圾的算法次要有两种：援用计数法和可达性分析法。

• 1、援用计数法：在对象中增加了一个援用计数器，当有中央援用这个对象时，援用计数器的值就加 1，当援用生效的时候，援用计数器的值就减 1。当援用计数器的值为 0 时，JVM 就开始回收这个对象。

对于某个对象而言，只有应用程序中持有该对象的援用，就阐明该对象不是垃圾，如果一个对象没有任何指针对其援用，它就是垃圾。这种办法尽管很简略、高效，然而 JVM 个别不会抉择这个办法，因为这个办法会呈现一个弊病：当对象之间互相指向时，两个对象的援用计数器的值都会加 1，而因为两个对象时互相指向，所以援用不会生效，这样 JVM 就无奈回收。

• 2、可达性分析法：针对援用计数算法的弊病，JVM 采纳了另一种算法，以一些 ”GC Roots” 的对象作为起始点向下搜寻，搜寻所走过的门路称为援用链(Reference Chain)，当一个对象到 GC Roots 没有任何援用链相连时，则证实此对象是不可用的，即能够进行垃圾回收。否则，证实这个对象有用，不是垃圾。

上图中的 obj7 和 obj8 尽管它们相互援用，但从 GC Roots 登程这两个对象不可达，所以会被标记为垃圾。JVM 会把以下几类对象作为 GC Roots：

• （1）虚拟机栈（栈帧中本地变量表）中援用的对象；
• （2）办法区中类动态属性援用的对象；
• （3）办法区中常量援用的对象；
• （4）本地办法栈中 JNI（Native 办法）援用的对象。

注：在可达性剖析算法中不可达的对象，并不是间接被回收，这时它们处于缓刑状态，至多须要进行两次标记才会确定该对象是否被回收：

第一次标记：如果对象在进行可达性剖析后发现没有与 GC Roots 相连接的援用链，那它将会被第一次标记；

第二次标记：第一次标记后接着会进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行 finalize()办法（该办法可将此对象与 GC Roots 建立联系）。在 finalize()办法中没有从新与援用链建设关联关系的，将被进行第二次标记。

第二次标记胜利的对象将真的会被回收，如果对象在 finalize()办法中从新与援用链建设了关联关系，那么将会逃离本次回收，持续存活。

8、垃圾收集的算法有哪些

晓得了如何 JVM 确定哪些对象是垃圾后，上面咱们来看一下，面对这些垃圾对象，JVM 的回收算法都有哪些。

1、标记 - 革除算法（Mark-Sweep）

• 第一步“标记”，如下图所示把堆里所有的对象都扫描一遍，找出哪些是垃圾须要回收的对象，并且把它们标记进去。

• 第二步“革除”，把第一步标记为“UnReference Object”（无援用或不可达）的对象革除掉，开释内存空间。
  

这种算法的毛病次要有两点：

（1）标记和革除两个过程都比拟耗时，效率不高

（2）革除后会产生大量不间断的内存碎片空间，碎片空间太多可能会导致当程序后续须要创立较大对象时，无奈找到足够间断的内存空间而不得不再次触发垃圾回收。

2、标记 - 复制算法（Mark-Copying）

将内存划分为两块区域，每次应用其中一块，当其中一块用满，触发垃圾回收的时候，将存活的对象复制到另一块下来，而后把之前应用的那一块进行格式化，一次性革除洁净。

（革除前）

（革除后）

“标记 - 复制”算法的毛病不言而喻，就是内存空间利用率低。

3、标记 - 整顿算法（Mark-Compact）

标记整顿算法标记过程依然与 ” 标记 - 革除 ” 算法一样，然而后续步骤不是间接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端挪动，而后间接清理掉端边界以外的内存。

将所有存活的对象向一边挪动，清理掉存活边界以外的全副内存空间。

联合这三种算法咱们能够看到，

• “标记 - 复制”算法的长处是回收效率高，但空间利用率上有肯定的节约。
• 而“标记 - 整顿”算法因为须要向一侧挪动等一系列操作，其效率绝对低一些，但对内存空间治理上非常优异。
• 因而，“标记 - 复制”算法实用于那些生命周期短、回收频率高的内存对象，
• 而标记 - 整顿”算法实用于那些生命周期长、回收频率低，但重视回收一次内存空间失去足够开释的场景。

因而 JVM 的设计者将 JVM 的堆内存，分为了两大块区域 Young 区和 Old 区，Young 区存储的就是那些生命周期短，应用一两次就不再应用的对象，回收一次基本上该区域十之有八的对象全副被回收清理掉，因而 Young 区采纳的垃圾回收算法也就是“标记 - 复制”算法。Old 区存储的是那些生命周期长，通过屡次回收后依然存活的对象，就把它们放到 Old 区中，平时不再去判断这些对象的可达性，直到 Old 区不够用为止，再进行一次对立的回收，开释出足够的间断的内存空间。

9、各种问世的垃圾收集器

鉴于 Young 区和 Old 区须要采纳不同的垃圾回收算法，因而在 JVM 的整个垃圾收集器的演进各个时代里，针对 Young 区和 Old 区每个时代都是不同的垃圾收集机制。从 JDK1.3 开始到目前，JVM 垃圾收集器的演进大体分为四个时代：串行时代、并行时代、并发时代和 G1 时代。

1、串行时代：Serial（Young 区）+ Serial Old（Old 区）

JDK3（1.3）的时候，大略是 2000 年左右，那个时代根本计算机都是单核一个 CPU 的，因而垃圾回收最后的设计实现也是基于单核单线程工作的。并且垃圾回收线程的执行绝对于失常业务线程执行来说还是 STW（stop the world）的，应用一个 CPU 或者一条收集线程去实现垃圾收集工作，这个线程执行的时候其它线程须要进行。

串行收集器采纳单线程 stop-the-world 的形式进行收集。当内存不足时，串行 GC 设置进展标识，待所有线程都进入平安点 (Safepoint) 时，利用线程暂停，串行 GC 开始工作，采纳单线程形式回收空间并整顿内存。单线程也意味着复杂度更低、占用内存更少，但同时也意味着不能无效利用多核优势。因而，串行收集器特地适宜堆内存不高、单核甚至双核 CPU 的场合。

2、并行时代：Parallel Scavenge（Young 区）+ Parallel Old（Old 区）

并行收集器是以关注吞吐量为指标的垃圾收集器，也是 server 模式下的默认收集器配置，对吞吐量的关注次要体现在年老代 Parallel Scavenge 收集器上。

并行收集器与串行收集器工作模式类似，都是 stop-the-world 形式，只是暂停时并行地进行垃圾收集。年老代采纳复制算法，老年代采纳标记 - 整顿，在回收的同时还会对内存进行压缩。关注吞吐量次要指年老代的 Parallel Scavenge 收集器，通过两个指标参数 -XX:MaxGCPauseMills 和 -XX:GCTimeRatio，调整新生代空间大小，来升高 GC 触发的频率。并行收集器适宜对吞吐量要求远远高于提早要求的场景，并且在满足最差延时的状况下，并行收集器将提供最佳的吞吐量。

3、并发时代：CMS（Old 区）

并发标记革除 (CMS) 是以关注提早为指标、非常优良的垃圾回收算法，CMS 是针对 Old 区的垃圾回收实现。

老年代 CMS 每个收集周期都要经验：初始标记、并发标记、从新标记、并发革除。其中，初始标记以 STW 的形式标记所有的根对象；并发标记则同利用线程一起并行，标记出根对象的可达门路；在进行垃圾回收前，CMS 再以一个 STW 进行从新标记，标记那些由 mutator 线程 (指引起数据变动的线程，即利用线程) 批改而可能错过的可达对象；最初失去的不可达对象将在并发革除阶段进行回收。值得注意的是，初始标记和从新标记都已优化为多线程执行。CMS 非常适合堆内存大、CPU 核数多的服务器端利用，也是 G1 呈现之前大型利用的首选收集器。

– 但 CMS 有以下两个缺点：

• （1）因为它是标记 - 革除不是标记 - 整顿，因而会产生内存碎片，Old 区会随着工夫的推移而究竟被耗尽或产生无奈调配大对象的状况。最初不得不通过底层的担保机制（CMS 背地有串行的回收作为兜底）进行一次 Full GC，并进行内存压缩。
• （2）因为标记和革除都是通利用线程并发进行，两类线程同时执行时会减少堆内存的占用，一旦某一时刻内存不够用，就会触发底层担保机制，又采纳串行回收进行一次 STW 的垃圾回收。

4、G1 时代：Garbage First

G1 收集器时代，Java 堆的内存布局与就与其余收集器有很大差异，它将整个 Java 堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），尽管还保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔离的了，它们都是一部分 Region（不须要间断）的汇合。

如上图所示，每一个 Region（分区）大小都是一样的，1~32M 之间的数值，但必须是 2 的指数。设置 Region 大小通过以下参数：-XX:G1HeapRegionSize=M。
G1 收集器的原理或特点次要有以下三点：

（1）内存逻辑上仍保留的分代的概念，每一个 Region 同一时间要么被标记为新生代，要么被标记为老年代，要么处于闲暇；

（2）整体上采纳了“标记 - 整顿算法”，不会产生内存碎片

（3）可预测的进展，G1 整体采纳的策略是“筛选回收”，也就是回收前会对各个待回收的 Region 的回收价值和老本进行排序，依据 G1 配置所冀望的回收工夫，抉择排在后面的几个 Region 进行回收。

其实之所以叫 G1（Garbage First）就是因为它优先选择回收垃圾比拟多的 Region 分区。
整体 G1 的垃圾回收工作步骤分为：初始标记、并发标记、最终标记和筛选回收。

5、ZGC：Zero GC

这篇文章简略提一下这个最新问世的垃圾收集器，之所以叫“Zero GC”是因为它谋求的是更低的 GC 进展工夫，谋求的指标是：反对 TB 级堆内存（最大 4T）、最大 GC 进展 10ms。JDK11 新引入的 ZGC 收集器，不论是物理上还是逻辑上，ZGC 中曾经不存在新老年代的概念了会分为一个个 page，当进行 GC 操作时会对 page 进行压缩，因而没有碎片问题。因为其是 JDK11 和只能在 64 位的 linux 上应用，因而目前用得还比拟少。

结语

以上总体两篇文章七千字，就是我从 JVM 的作用、设计框架到 JVM 内存治理的整体的体系化了解。感激。

拓展浏览：十个问题弄清 JVM&GC（一）

作者：宜信技术学院 谭文涛