一、JVM內(nèi)存的構(gòu)

java虛擬機(jī)會將內(nèi)存分為幾個不同的管理區(qū)，這些區(qū)域各自有各自的用途，根據(jù)不同的特點，承擔(dān)不同的任務(wù)以及在垃圾回收時運(yùn)用不同的算法。總體分為下面幾個部分：

程序計數(shù)器（PRogram Counter Register）、JVM虛擬機(jī)棧（JVM Stacks）、本地方法棧（Native Method Stacks）、堆（Heap）、方法區(qū)（Method Area）

如下圖：

1、程序計數(shù)器（Program Counter Register）

這 是一塊比較小的內(nèi)存，不在Ram上，而是直接劃分在CPU上的，程序員無法直接操作它，它的作用是：JVM在解釋字節(jié)碼文件（.class）時，存儲當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號，只是一種概念模型，各種JVM所采用的方式不同，字節(jié)碼解釋器工作時，就是通過改變程序計數(shù)器的值來選取下一條要執(zhí)行的指令， 分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、等基礎(chǔ)功能都是依賴此技術(shù)區(qū)完成的。還有一種情況，就是我們常說的Java多線程方面的，多線程就是通過線程輪流切換而達(dá)到的，同一時刻，一個內(nèi)核只能執(zhí)行一個指令，所以，對于每一個程序來說，必須有一個計數(shù)器來記錄程序的執(zhí)行進(jìn)度，這樣，當(dāng)線程恢復(fù)執(zhí)行的時候，才能從正確的地方開始， 所以，每個線程都必須有一個獨立的程序計數(shù)器，這類計數(shù)器為線程私有的內(nèi)存。如果一個線程正在執(zhí)行一個Java方法，則計數(shù)器記錄的是字節(jié)碼的指令的地址，如果執(zhí)行的一個Native方法，則計數(shù)器的記錄為空，此內(nèi)存區(qū)是唯一一個在Java規(guī)范中沒有任何OutOfMemoryError情況的區(qū)域。

2、JVM虛擬機(jī)棧（JVM Stacks）

JVM虛擬機(jī)棧就是我們常說的堆棧的棧（我們常常把內(nèi)存粗略分為堆和棧），和程序計數(shù)器一樣，也是線程私有的，生命周期和線程一樣，每個方法被執(zhí)行的時候會產(chǎn)生一個棧幀， 用于存儲局部變量表、動態(tài)鏈接、操作數(shù)、方法出口等信息。方法的執(zhí)行過程就是棧幀在JVM中出棧和入棧的過程。局部變量表中存放的是各種基本數(shù)據(jù)類型，如 boolean、byte、char、等8種，及引用類型（存放的是指向各個對象的內(nèi)存地址），因此，它有一個特點：內(nèi)存空間可以在編譯期間就確定，運(yùn)行期不在改變。這個內(nèi)存區(qū)域會有兩種可能的Java異常：StackOverFlowError和OutOfMemoryError。

3、本地方法棧（Native Method Stacks）

從名字即可看出，本地方法棧就是用來處理Java中的本地方法的，Java類的祖先類Object中有眾多Native方法，如hashCode()、 wait()等，他們的執(zhí)行很多時候是借助于操作系統(tǒng)，但是JVM需要對他們做一些規(guī)范，來處理他們的執(zhí)行過程。此區(qū)域，可以有不同的實現(xiàn)方法，像我們常用的Sun的JVM就是本地方法棧和JVM虛擬機(jī)棧是同一個。

4、堆（Heap）

堆內(nèi)存是內(nèi)存中最重要的一塊，也是最有必要進(jìn)行深究的一部分。因為Java性能的優(yōu)化，主要就是針對這部分內(nèi)存的。所有的對象實例及數(shù)組都是在堆上面分配的（隨著JIT技術(shù)的逐漸成熟，這句話似乎有些絕對，不過至少目前還基本是這樣的），可通過-Xmx和-Xms來控制堆的大小。JIT 技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了新的技術(shù)，如棧上分配和標(biāo)量替換，也許在不久的幾年里，即時編譯會誕生及成熟，那個時候，“所有的對象實例及數(shù)組都是在堆上面分配的”這句話就應(yīng)該稍微改改了。堆內(nèi)存是垃圾回收的主要區(qū)域，所以在下文垃圾回收板塊會重點介紹，此處只做概念方面的解釋。在32位系統(tǒng)上最大為2G，64位系統(tǒng)上無限制。可通過-Xms和-Xmx控制，-Xms為JVM啟動時申請的最小Heap內(nèi)存，-Xmx為JVM可申請的最大Heap內(nèi)存。

5、方法區(qū)（Method Area）

方法區(qū)是所有線程共享的內(nèi)存區(qū)域，用于存儲已經(jīng)被JVM加載的類信息、常量、靜態(tài)變量等數(shù)據(jù)，一般來說，方法區(qū)屬于持久代（關(guān)于持久代，會在GC部分詳細(xì)介紹，除了持久代，還有新生代和舊生代），也難怪Java規(guī)范將方法區(qū)描述為堆的一個邏輯部分，但是它不是堆。方法區(qū)的垃圾回收比較棘手，就算是Sun的 HotSpot VM在這方面也沒有做得多么完美。此處引入方法區(qū)中一個重要的概念：運(yùn)行時常量池。主要用于存放在編譯過程中產(chǎn)生的字面量（字面量簡單理解就是常量）和引用。一般情況，常量的內(nèi)存分配在編譯期間就能確定，但不一定全是，有一些可能就是運(yùn)行時也可將常量放入常量池中，如String類中有個Native方法 intern()。

此處補(bǔ)充一個在JVM內(nèi)存管理之外的一個內(nèi)存區(qū)：直接內(nèi)存。在JDK1.4中新加入類NIO類，引入了一種基于通道與緩沖區(qū)的I/O方式，它可以使用Native函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存，即我們所說的直接內(nèi)存，這樣在某些場景中會提高程序的性能。

二、垃圾回收

有句話說的好：Java和C++之間有一堵有內(nèi)存分配和垃圾回收技術(shù)圍成的墻，墻外的人想進(jìn)去，墻里的人想出去！這句話的意思，請讀者自己去琢磨。總的來說，C、C++程序員有時苦于內(nèi)存泄露，內(nèi)存管理是件令人頭痛的事兒，但是Java程序員呢，又羨慕C++程序員，自己可以控制一切，這樣就不會在內(nèi)存管理方面顯得束手無策，的確如此，作為Java程序員我們很難去控制JVM的內(nèi)存回收，只能根據(jù)它的原理去適應(yīng)，盡量提高程序的性能。下面開始講解Java垃圾回收，即Garbage Collection，GC。從以下四個方面進(jìn)行：

1、為什么要進(jìn)行垃圾回收？

隨著程序的運(yùn)行，內(nèi)存中存在的實例對象、變量等信息占據(jù)的內(nèi)存越來越多，如果不及時進(jìn)行垃圾回收，必然會帶來程序性能的下降，甚至?xí)驗榭捎脙?nèi)存不足造成一些不必要的系統(tǒng)異常。

2、哪些“垃圾”需要回收？

在我們上面介紹的五大區(qū)中，有三個是不需要進(jìn)行垃圾回收的：程序計數(shù)器、JVM棧、本地方法棧。因為它們的生命周期是和線程同步的，隨著線程的銷毀，它們占用的內(nèi)存會自動釋放，所以只有方法區(qū)和堆需要進(jìn)行GC。具體到哪些對象的話，簡單概況一句話：如果某個對象已經(jīng)不存在任何引用，那么它可以被回收。通俗解釋一下就是說，如果一個對象，已經(jīng)沒有什么作用了，就可以被當(dāng)廢棄物被回收了。

3、什么時候進(jìn)行垃圾回收？

根據(jù)一個經(jīng)典的引用計數(shù)算法，每個對象添加一個引用計數(shù)器，每被引用一次，計數(shù)器加1，失去引用，計數(shù)器減1，當(dāng)計數(shù)器在一段時間內(nèi)保持為0時，該對象就認(rèn)為是可以被回收得了。但是，這個算法有明顯的缺陷：當(dāng)兩個對象相互引用，但是二者已經(jīng)沒有作用時，按照常規(guī)，應(yīng)該對其進(jìn)行垃圾回收，但是其相互引用，又不符合垃圾回收的條件，因此無法完美處理這塊內(nèi)存清理，因此Sun的JVM并沒有采用引用計數(shù)算法來進(jìn)行垃圾回收。而是采用一個叫：根搜索算法，如下圖：

基本思想就是：從一個叫GC Roots的對象開始，向下搜索，如果一個對象不能到達(dá)GC Roots對象的時候，說明它已經(jīng)不再被引用， 即可被進(jìn)行垃圾回收（此處暫且這樣理解，其實事實還有一些不同，當(dāng)一個對象不再被引用時，并沒有完全“死亡”，如果類重寫了finalize()方法，且沒有被系統(tǒng)調(diào)用過，那么系統(tǒng)會調(diào)用一次finalize()方法，以完成最后的工作，在這期間，如果可以將對象重新與任何一個和GC Roots有引用的對象相關(guān)聯(lián)，則該對象可以“重生”，如果不可以，那么就說明徹底可以被回收了），如上圖中的Object5、Object6、 Object7，雖然它們3個依然可能相互引用，但是總體來說，它們已經(jīng)沒有作用了，這樣就解決了引用計數(shù)算法無法解決的問題。

補(bǔ)充引用的概念：JDK 1.2之后，對引用進(jìn)行了擴(kuò)充，引入了強(qiáng)、軟、若、虛四種引用，被標(biāo)記為這四種引用的對象，在GC時分別有不同的意義：

a> 強(qiáng)引用(Strong Reference).就是為剛被new出來的對象所加的引用，它的特點就是，永遠(yuǎn)不會被回收。

b> 軟引用(Soft Reference).聲明為軟引用的類，是可被回收的對象，如果JVM內(nèi)存并不緊張，這類對象可以不被回收，如果內(nèi)存緊張，則會被回收。此處有一個問題，既然被引用為軟引用的對象可以回收，為什么不去回收呢？其實我們知道，Java中是存在緩存機(jī)制的，就拿字面量緩存來說，有些時候，緩存的對象就是當(dāng)前可有可無的，只是留在內(nèi)存中如果還有需要，則不需要重新分配內(nèi)存即可使用，因此，這些對象即可被引用為軟引用，方便使用，提高程序性能。

c> 弱引用(Weak Reference).弱引用的對象就是一定需要進(jìn)行垃圾回收的，不管內(nèi)存是否緊張，當(dāng)進(jìn)行GC時，標(biāo)記為弱引用的對象一定會被清理回收。

d> 虛引用(Phantom Reference).虛引用弱的可以忽略不計，JVM完全不會在乎虛引用，其唯一作用就是做一些跟蹤記錄，輔助finalize函數(shù)的使用。

最后總結(jié)，什么樣的類需要回收呢？無用的類，何為無用的類？需滿足如下要求：

1> 該類的所有實例對象都已經(jīng)被回收。

2> 加載該類的ClassLoader已經(jīng)被回收。

3> 該類對應(yīng)的反射類java.lang.Class對象沒有被任何地方引用。

4、如何進(jìn)行垃圾回收？

本塊內(nèi)容以介紹垃圾回收算法為主，因為我們前面有介紹，內(nèi)存主要被分為三塊，新生代、舊生代、持久代。三代的特點不同，造就了他們所用的GC算法不同，新生代適合那些生命周期較短，頻繁創(chuàng)建及銷毀的對象，舊生代適合生命周期相對較長的對象，持久代在Sun HotSpot中就是指方法區(qū)（有些JVM中根本就沒有持久代這中說法）。首先介紹下新生代、舊生代、持久代的概念及特點：

新生代：New Generation或者Young Generation。上面大致分為Eden區(qū)和Survivor區(qū)，Survivor區(qū)又分為大小相同的兩部分：FromSpace 和ToSpace。新建的對象都是用新生代分配內(nèi)存，Eden空間不足的時候，會把存活的對象轉(zhuǎn)移到Survivor中，新生代的大小可以由-Xmn來控制，也可以用-XX:SurvivorRatio來控制Eden和Survivor的比例.舊生代：Old Generation。用于存放新生代中經(jīng)過多次垃圾回收仍然存活的對象，例如緩存對象。舊生代占用大小為-Xmx值減去-Xmn對應(yīng)的值。

持久代：Permanent Generation。在Sun的JVM中就是方法區(qū)的意思，盡管有些JVM大多沒有這一代。主要存放常量及類的一些信息默認(rèn)最小值為16MB，最大值為64MB，可通過-XX:PermSize及-XX:MaxPermSize來設(shè)置最小值和最大值。

常見的GC算法：

標(biāo)記-清除算法（Mark-Sweep）

最基礎(chǔ)的GC算法，將需要進(jìn)行回收的對象做標(biāo)記，之后掃描，有標(biāo)記的進(jìn)行回收，這樣就產(chǎn)生兩個步驟：標(biāo)記和清除。這個算法效率不高，而且在清理完成后會產(chǎn)生內(nèi)存碎片，這樣，如果有大對象需要連續(xù)的內(nèi)存空間時，還需要進(jìn)行碎片整理，所以，此算法需要改進(jìn)。

復(fù)制算法（Copying）

前面我們談過，新生代內(nèi)存分為了三份，Eden區(qū)和2塊Survivor區(qū)，一般Sun的JVM會將Eden區(qū)和Survivor區(qū)的比例調(diào)為8:1，保證有一塊Survivor區(qū)是空閑的，這樣，在垃圾回收的時候，將不需要進(jìn)行回收的對象放在空閑的Survivor區(qū)，然后將Eden區(qū)和第一塊Survivor區(qū)進(jìn)行完全清理，這樣有一個問題，就是如果第二塊Survivor區(qū)的空間不夠大怎么辦？這個時候，就需要當(dāng)Survivor區(qū)不夠用的時候，暫時借持久代的內(nèi)存用一下。此算法適用于新生代。

標(biāo)記-整理（或叫壓縮）算法（Mark-Compact）

和標(biāo)記-清除算法前半段一樣，只是在標(biāo)記了不需要進(jìn)行回收的對象后，將標(biāo)記過的對象移動到一起，使得內(nèi)存連續(xù)，這樣，只要將標(biāo)記邊界以外的內(nèi)存清理就行了。此算法適用于持久代。

常見的垃圾收集器：

根據(jù)上面說的諸多算法，每天JVM都有不同的實現(xiàn)，我們先來看看常見的一些垃圾收集器：

首先介紹三種實際的垃圾回收器：串行GC（SerialGC）、并行回收GC（Parallel Scavenge）和并行GC（ParNew）。

1、Serial GC。是最基本、最古老的收集器，但是現(xiàn)在依然被廣泛使用，是一種單線程垃圾回收機(jī)制，而且不僅如此，它最大的特點就是在進(jìn)行垃圾回收的時候，需要將所有正在執(zhí)行的線程暫停（Stop The World），對于有些應(yīng)用這是難以接受的，但是我們可以這樣想，只要我們能夠做到將它所停頓的時間控制在N個毫秒范圍內(nèi)，大多數(shù)應(yīng)用我們還是可以接受的，而且事實是它并沒有讓我們失望，幾十毫米的停頓我們作為客戶機(jī)（Client）是完全可以接受的，該收集器適用于單CPU、新生代空間較小及對暫停時間要求不是非常高的應(yīng)用上，是client級別默認(rèn)的GC方式，可以通過-XX:+UseSerialGC來強(qiáng)制指定。

2、ParNew GC。基本和Serial GC一樣，但本質(zhì)區(qū)別是加入了多線程機(jī)制，提高了效率，這樣它就可以被用在服務(wù)器端（Server）上，同時它可以與CMS GC配合，所以，更加有理由將它置于Server端。

3、Parallel Scavenge GC。在整個掃描和復(fù)制過程采用多線程的方式來進(jìn)行，適用于多CPU、對暫停時間要求較短的應(yīng)用上，是server級別默認(rèn)采用的GC方式，可用-XX:+UseParallelGC來強(qiáng)制指定，用-XX:ParallelGCThreads=4來指定線程數(shù)。以下給出幾組使用組合：

4、CMS (Concurrent Mark Sweep)收集器。該收集器目標(biāo)就是解決Serial GC 的停頓問題，以達(dá)到最短回收時間。常見的B/S架構(gòu)的應(yīng)用就適合用這種收集器，因為其高并發(fā)、高響應(yīng)的特點。CMS收集器是基于“標(biāo)記-清除”算法實現(xiàn)的，整個收集過程大致分為4個步驟：

初始標(biāo)記(CMS initial mark)、并發(fā)標(biāo)記(CMS concurrent mark)、重新標(biāo)記(CMS remark)、并發(fā)清除(CMS concurrent sweep)。

其中初始標(biāo)記、重新標(biāo)記這兩個步驟任然需要停頓其他用戶線程。初始標(biāo)記僅僅只是標(biāo)記出GC ROOTS能直接關(guān)聯(lián)到的對象，速度很快，并發(fā)標(biāo)記階段是進(jìn)行GC ROOTS 根搜索算法階段，會判定對象是否存活。而重新標(biāo)記階段則是為了修正并發(fā)標(biāo)記期間，因用戶程序繼續(xù)運(yùn)行而導(dǎo)致標(biāo)記產(chǎn)生變動的那一部分對象的標(biāo)記記錄，這個階段的停頓時間會被初始標(biāo)記階段稍長，但比并發(fā)標(biāo)記階段要短。由于整個過程中耗時最長的并發(fā)標(biāo)記和并發(fā)清除過程中，收集器線程都可以與用戶線程一起工作，所以整體來說，CMS收集器的內(nèi)存回收過程是與用戶線程一起并發(fā)執(zhí)行的。

CMS收集器的優(yōu)點：并發(fā)收集、低停頓，但是CMS還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到完美。

CMS收集器主要有三個顯著缺點：

a>.CMS收集器對CPU資源非常敏感。在并發(fā)階段，雖然不會導(dǎo)致用戶線程停頓，但是會占用CPU資源而導(dǎo)致引用程序變慢，總吞吐量下降。CMS默認(rèn)啟動的回收線程數(shù)是：(CPU數(shù)量+3) / 4。

b>.CMS收集器無法處理浮動垃圾，可能出現(xiàn)“Concurrent Mode Failure“，失敗后而導(dǎo)致另一次Full GC的產(chǎn)生。由于CMS并發(fā)清理階段用戶線程還在運(yùn)行，伴隨程序的運(yùn)行自熱會有新的垃圾不斷產(chǎn)生，這一部分垃圾出現(xiàn)在標(biāo)記過程之后，CMS無法在本次收集中處理它們，只好留待下一次GC時將其清理掉。這一部分垃圾稱為“浮動垃圾”。也是由于在垃圾收集階段用戶線程還需要運(yùn)行，即需要預(yù)留足夠的內(nèi)存空間給用戶線程使用，因此CMS收集器不能像其他收集器那樣等到老年代幾乎完全被填滿了再進(jìn)行收集，需要預(yù)留一部分內(nèi)存空間提供并發(fā)收集時的程序運(yùn)作使用。在默認(rèn)設(shè)置下，CMS收集器在老年代使用了68%的空間時就會被激活，也可以通過參數(shù)-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction的值來提供觸發(fā)百分比，以降低內(nèi)存回收次數(shù)提高性能。要是CMS運(yùn)行期間預(yù)留的內(nèi)存無法滿足程序其他線程需要，就會出現(xiàn)“Concurrent Mode Failure”失敗，這時候虛擬機(jī)將啟動后備預(yù)案：臨時啟用Serial Old收集器來重新進(jìn)行老年代的垃圾收集，這樣停頓時間就很長了。所以說參數(shù)-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction設(shè)置的過高將會很容易導(dǎo)致“Concurrent Mode Failure”失敗，性能反而降低。

c>.最后一個缺點，CMS是基于“標(biāo)記-清除”算法實現(xiàn)的收集器，使用“標(biāo)記-清除”算法收集后，會產(chǎn)生大量碎片。空間碎片太多時，將會給對象分配帶來很多麻煩，比如說大對象，內(nèi)存空間找不到連續(xù)的空間來分配不得不提前觸發(fā)一次Full GC。為了解決這個問題，CMS收集器提供了一個-XX:UseCMSCompactAtFullCollection開關(guān)參數(shù)，用于在Full GC之后增加一個碎片整理過程，還可通過-XX:CMSFullGCBeforeCompaction參數(shù)設(shè)置執(zhí)行多少次不壓縮的Full GC之后，跟著來一次碎片整理過程。

5、G1收集器。相比CMS收集器有不少改進(jìn)，首先基于標(biāo)記-整理算法，不會產(chǎn)生內(nèi)存碎片問題，其次，可以比較精確的控制停頓，此處不再詳細(xì)介紹。

6、Serial Old。Serial Old是Serial收集器的老年代版本，它同樣使用一個單線程執(zhí)行收集，使用“標(biāo)記-整理”算法。主要使用在Client模式下的虛擬機(jī)。

7、Parallel Old。Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多線程和“標(biāo)記-整理”算法。

8、RTSJ垃圾收集器，用于Java實時編程，后續(xù)會補(bǔ)充介紹。

三、Java程序性能優(yōu)化

gc()的調(diào)用

調(diào)用gc方法暗示著Java 虛擬機(jī)做了一些努力來回收未用對象，以便能夠快速地重用這些對象當(dāng)前占用的內(nèi)存。當(dāng)控制權(quán)從方法調(diào)用中返回時，虛擬機(jī)已經(jīng)盡最大努力從所有丟棄的對象中回收了空間，調(diào)用System.gc() 等效于調(diào)用Runtime.getRuntime().gc()。

finalize()的調(diào)用及重寫

gc只能清除在堆上分配的內(nèi)存(純java語言的所有對象都在堆上使用new分配內(nèi)存)，而不能清除棧上分配的內(nèi)存（當(dāng)使用JNI技術(shù)時,可能會在棧上分配內(nèi)存，例如java調(diào)用c程序，而該c程序使用malloc分配內(nèi)存時）。因此，如果某些對象被分配了棧上的內(nèi)存區(qū)域，那gc就管不著了，對棧上的對象進(jìn)行內(nèi)存回收就要靠finalize()。舉個例子來說,當(dāng)java 調(diào)用非java方法時（這種方法可能是c或是c++的）,在非java代碼內(nèi)部也許調(diào)用了c的malloc()函數(shù)來分配內(nèi)存，而且除非調(diào)用那個了 free() 否則不會釋放內(nèi)存(因為free()是c的函數(shù)),這個時候要進(jìn)行釋放內(nèi)存的工作,gc是不起作用的,因而需要在finalize()內(nèi)部的一個固有方法調(diào)用free()。

優(yōu)秀的編程習(xí)慣

（1）避免在循環(huán)體中創(chuàng)建對象，即使該對象占用內(nèi)存空間不大。（2）盡量及時使對象符合垃圾回收標(biāo)準(zhǔn)。（3）不要采用過深的繼承層次。（4）訪問本地變量優(yōu)于訪問類中的變量。

四、常見問題

1、內(nèi)存溢出

就是你要求分配的java虛擬機(jī)內(nèi)存超出了系統(tǒng)能給你的，系統(tǒng)不能滿足需求，于是產(chǎn)生溢出。2、內(nèi)存泄漏

是指你向系統(tǒng)申請分配內(nèi)存進(jìn)行使用(new)，可是使用完了以后卻不歸還(delete)，結(jié)果你申請到的那塊內(nèi)存你自己也不能再訪問,該塊已分配出來的內(nèi)存也無法再使用，隨著服務(wù)器內(nèi)存的不斷消耗，而無法使用的內(nèi)存越來越多，系統(tǒng)也不能再次將它分配給需要的程序，產(chǎn)生泄露。一直下去，程序也逐漸無內(nèi)存使用，就會溢出。

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