深入理解 Java 虚拟机

Question

JVM 堆内存分布

JVM 堆内存分布主要可以分为几个区域，每个区域有其特定的用途和特点：

1. 堆内存结构

JVM 堆内存通常分为以下几个主要区域：

• 年轻代（Young Generation） ：用于存放新创建的对象，通常又分为三个部分：
  • Eden 区 ：新对象的默认分配区域。
  • Survivor 区（S0 和 S1） ：用于存放经过一次垃圾回收后仍然存活的对象。Survivor 区之间会轮流使用。
• 老年代（Old Generation） ：用于存放经历多次垃圾回收仍然存活的对象。这个区域的对象通常较大且生命周期较长。
• 永久代（PermGen）或元空间（Metaspace） ：存放类的元数据（如类的结构、方法、常量池等）。在 Java 8 及之后，永久代被元空间取代，元空间使用本地内存，不再受限于堆内存。

2. 内存配置

JVM 堆内存的大小可以通过启动参数进行配置：

• -Xms ：设置初始堆内存大小。
• -Xmx ：设置最大堆内存大小。

例如， -Xms512m -Xmx1024m 表示初始堆内存为 512MB，最大堆内存为 1024MB。

3. 垃圾回收策略

不同的垃圾回收器会采用不同的策略来回收堆内存：

• Serial GC ：适合小型应用，使用单线程进行垃圾回收。
• Parallel GC ：使用多线程进行年轻代的垃圾回收，适合多核处理器。
• CMS（Concurrent Mark-Sweep） ：尝试减少停顿时间，通过并发标记和清除。
• G1（Garbage-First） ：以垃圾回收效率为目标，适合大内存应用，能够在可控的停顿时间内进行回收。

4. 堆内存的使用和监控

可以使用工具如 JVisualVM、JConsole 和各种 Profiler 来监控 JVM 堆内存的使用情况，分析内存泄漏和性能问题。

希望这些信息能帮助你更好地理解 JVM 堆内存的分布！如果有特定的方面想深入了解，随时告诉我！

JVM 堆内存分配策略

分新生代、老年代、永久代（jdk 1.8 之后替换成了 Metaspace）

• 新生代 【8:1:1】
  • Eden 区+Survivor1 区+Survivor2 区，Eden 和 Survivor 默认 8:1，两块 Survivor 一样大（读完本书可以知道是因为新生代多采取复制清除 GC 算法）
  • 对象优先在 Eden 分配
• 老年代 【新生代：老年代=1:2】
  • 大对象直接放入老年代
  • 长期存活的对象晋入老年代

    动态对象年龄判断：对象最新进入 Eden 区，进过第一次 MinorGC 后如果该对象任然存活，移入 Survivor 区，并维护一个年龄计数器，设为 1。后续如果再次经过一次 MinorGC，还没死亡的话年龄计数器自增 1，如果年龄超过 15，自动晋入老年代。或者相同年龄的对象超过 Survivor 内存区域一般时，也会自动把这些对象移入老年代

• 永久代在 jdk 1.8 中被 Metaspace 元空间取代
  • 参考： Java8 内存模型—永久代(PermGen) 和元空间(Metaspace)
  • 可由**-XX:MaxPermSize**进行设置，永久代也称为方法区 ，用来存放类的信息、常量池、方法数据、方法代码等
  • 元空间不再是存放在虚拟机中了，而是直接使用本地内存

  永久代也是会发生垃圾回收的，但有三点条件：

  1. 该类的实例都被回收。
  2. 加载该类的 classLoader 已经被回收
  3. 该类不能通过反射访问到其方法，而且该类的 java.lang.class 没有被引用

  满足这三个条件可以回收，但回不回收还得看 jvm，但很少说永久代垃圾回收，垃圾回收侧重新生代、永久代

堆内存各区域比例及相关控制参数

总的来说，堆可分为新生代+老年代，可由参数**–Xms（初始堆大小）、-Xmx（最大堆大小） 来控制大小，新生代大小由参数 -Xmn 控制，新生代三块分区比例可由 –XX:SurvivorRatio 控制，新生代和老年代比例可由参数 –XX:NewRatio**控制

如何判断对象已死亡？

引用计数法

最容易想到的就是这种，每有一个引用指向对象，引用计数器就加一，引用失效就减一。一旦引用计数器为 0，表明对象已死亡，可回收。

问题是如果两个对象相互引用，引用计数器始终不会为 0

可达性分析算法

提出一个 GC Roots 对象的概念，GC Roots 为起点向下搜索，所走过的路径为引用链，如果没有 GC Roots 对象到该对象的引用链，表明该对象可回收

• GC Roots 对象包含哪些？
  • JVM 虚拟机栈中引用的对象（栈帧是对象调用方法时生成的，具体说是局部变量表中引用的对象）
  • 本地方法栈中的 JNI 引用的对象（Java Native Interface 缩写，Native 方法是 jav 调用其他语言的方法，多用来提高效率、和底层硬件、小做系统交互）
  • 方法区中静态变量、常量引用的对象

如图，像对象实例 1、2、4、6 是 GC Roots 可达的，3 和 5 是可被回收的

这里有个问题是，搜索时是采用广度优先还是深度优先搜索？搞不清

什么时候会进行垃圾回收 GC？

垃圾回收不能像 C++似的手动进行，java 中是由 JVM 自动判断进行 GC 的，但 System.gc() 可以提示进行 GC

• 新生代内存空间不足时，会进行 Minor GC
• 长期存活的对象由新生代晋升入老年代时，老年代内存空间不足的话也会进行 full GC

看下对象的引用

引用分为四种：强引用、软引用、弱引用、虚引用

• 强引用：强引用存在的话，即使内存不够，也不会对强引用对象回收。 P p = new P() 就是强引用
• 软引用：内存空间足够时，不会回收；不足时才会对其回收。 可用来实现内存敏感的高速缓存
• 弱引用：垃圾回收器扫描到弱引用对象时就会对其回收，无论内存空间足不足
• 虚引用：“虚”字可知，表明该引用可有可无。该虚引用对象被垃圾回收器回收时候，系统能够接收到一个通知

GC 算法有哪些？

• 标志-清除法
  • 适合老年代
  • 问题：标记和清除效率不高、内存空间碎片化的问题
• 标志-整理法
  • 适合老年代
  • 也是为了解决碎片问题，标志同上，但会将所有存活的对象向一端移动，再回收
• 复制清除法
  • 适合新生代
  • 两块一样大小的内存，每次用一块，这也是它的缺点（内存只使用一半）
  • 每次只对一块内存空间回收，效率高，不会出现空间碎片
• 分代收集法 【用的最多的 GC 算法】
  • 根据新生代和老年代对象的性质，采取新生代使用复制清除法，老年代使用标志-清除/整理法
  • 新生代会有大量对象死亡，所以 Minor GC 发生频率高，而老年代中对象存活率高，GC 没那么频繁

垃圾回收器

垃圾回收器（Garbage Collector，GC）是 JVM 的重要组成部分，负责自动管理内存，回收不再使用的对象，以防止内存泄漏和优化性能。以下是几种主要的垃圾回收器及其特点：

1. Serial GC

• 描述 ：单线程垃圾回收器，适用于小型应用。
• 特点 ：简单，易于实现。停顿时间较长，因为它在回收过程中会暂停所有应用线程。

2. Parallel GC

• 描述 ：多线程垃圾回收器，适用于多核处理器。
• 特点 ：在年轻代的回收中使用多个线程，提高回收效率。通过使用多个线程缩短停顿时间。

3. CMS (Concurrent Mark-Sweep) GC

• 描述 ：旨在减少停顿时间的垃圾回收器。
• 特点 ：
  • 使用并发标记和清除的方式，允许应用线程在大部分回收过程中继续运行。
  • 在标记阶段，标记所有存活的对象；在清除阶段，清除未标记的对象。
  • 停顿时间较短，但可能导致碎片问题。

4. G1 (Garbage-First) GC

• 描述 ：适用于大内存应用的低延迟垃圾回收器。
• 特点 ：
  • 将堆分成多个小块（Region），并优先回收垃圾最多的区域。
  • 通过控制停顿时间，优化应用性能。
  • 支持并行回收和并发标记。

5. ZGC (Z Garbage Collector)

• 描述 ：低延迟垃圾回收器，适合大内存应用。
• 特点 ：
  • 支持大规模堆内存（可达数 TB）。
  • 在垃圾回收过程中，几乎不产生停顿时间，停顿时间通常在毫秒级。

6. Shenandoah GC

• 描述 ：类似于 ZGC 的低延迟垃圾回收器。
• 特点 ：
  • 采用并发的方式进行标记和清除，降低停顿时间。
  • 适合大内存应用，能够实现较短的停顿时间。

GC 策略选择

选择合适的垃圾回收器取决于具体应用的需求，通常需要在停顿时间、吞吐量和内存占用之间进行权衡。

监控和调优

可以使用 JVM 参数和工具来监控和调优垃圾回收器的行为，例如使用 -XX:+PrintGC 打印 GC 日志，或者使用工具如 VisualVM 和 JConsole 分析内存使用情况。

如果你对某个特定的垃圾回收器或调优策略感兴趣，可以进一步深入讨论！

补充

看到一篇博客提到了死亡对象如何搜索 BFS、DFS，有点兴趣， 见此

为什么新生代用广度搜索，老生代用深度搜索?

深度优先 DFS 一般采用递归方式实现，处理 tracing 的时候，可能会导致栈空间溢出，所以一般采用广度优先来实现 tracing（递归情况下容易爆栈）。
广度优先的拷贝顺序使得 GC 后对象的空间局部性（memory locality）变差（相关变量散开了）。
广度优先搜索法一般无回溯操作，即入栈和出栈的操作，所以运行速度比深度优先搜索算法法要快些。
深度优先搜索法占内存少但速度较慢，广度优先搜索算法占内存多但速度较快。

结合深搜和广搜的实现，以及新生代移动数量小，老生代数量大的情况，我们可以得到了解答。