简介： 每个java开发同学不管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，带着大家一起全面了解一下JVM的方方面面。
每个java开发同学不管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，带着大家一起全面了解一下JVM的方方面面。
- JVM、JRE和JDK的区别和联系
- JVM是什么？以及它的主要作用
- JVM的核心功能有哪些
- 类加载机制和过程
- 运行时数据区的逻辑结构
- JVM的内存模型
- 如何确定对象是垃圾
- 垃圾收集的算法有哪些
- 各种问世的垃圾收集器
- JVM调优的参数配置
上一篇文章结尾时我们谈到，就JVM的设计规范，从使用用途角度JVM的内存大体的分为：线程私有内存区 和 线程共享内存区。
线程私有内存区在类加载器编译某个class文件时就确定了执行时需要的“程序计数器”和“虚拟栈帧”等所需的空间，并且会伴随着当前执行线程的产生而产生，执行线程的消亡而消亡，因此“线程私有内存区”并不需要考虑内存管理和垃圾回收的问题。线程共享内存区在虚拟机启动时创建，被所有线程共享，是Java虚拟机所管理内存中最应该关注的和最大的一块。首先我们来一起看一下“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的内存结构分为堆和非堆两大块区域。
- 其中“非堆”就是上篇文章我们提到的方法区或叫元数据区，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建的实例对象或数组的。堆区分为两大块，一个是Old区，一个是Young区。Young区分为两大块，一个是Survivor区（S0+S1），一块是Eden区S0和S1一样大，也可以叫From和To。
之所以这样划分，设计者的目的无非就是为了内存管理，也就是我们说的垃圾回收。那么什么样的对象是垃圾？垃圾回收算法有哪些？目前常用的垃圾回收器又有哪些？这篇文章我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，得先知道什么样的对象是垃圾。目前确认对象是否为垃圾的算法主要有两种：引用计数法和可达性分析法。
- 1、引用计数法：在对象中添加了一个引用计数器，当有地方引用这个对象时，引用计数器的值就加1，当引用失效的时候，引用计数器的值就减1。当引用计数器的值为0时，JVM就开始回收这个对象。
对于某个对象而言，只要应用程序中持有该对象的引用，就说明该对象不是垃圾，如果一个对象没有任何指针对其引用，它就是垃圾。这种方法虽然很简单、高效，但是JVM一般不会选择这个方法，因为这个方法会出现一个弊端：当对象之间相互指向时，两个对象的引用计数器的值都会加1，而由于两个对象时相互指向，所以引用不会失效，这样JVM就无法回收。
- 2、可达性分析法：针对引用计数算法的弊端，JVM采用了另一种算法，以一些"GC Roots"的对象作为起始点向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链(Reference Chain)，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证明此对象是不可用的，即可以进行垃圾回收。否则，证明这个对象有用，不是垃圾。
上图中的obj7和obj8虽然它们互相引用，但从GC Roots出发这两个对象不可达，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）中引用的对象；
- （2） 方法区中类静态属性引用的对象；
- （3） 方法区中常量引用的对象；
- （4） 本地方法栈中JNI（Native方法）引用的对象。
注：在可达性分析算法中不可达的对象，并不是直接被回收，这时它们处于缓刑状态，至少需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分析后发现没有与GC Roots相连接的引用链，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()方法（该方法可将此对象与GC Roots建立联系）。在finalize()方法中没有重新与引用链建立关联关系的，将被进行第二次标记。
第二次标记成功的对象将真的会被回收，如果对象在finalize()方法中重新与引用链建立了关联关系，那么将会逃离本次回收，继续存活。
8、垃圾收集的算法有哪些
知道了如何JVM确定哪些对象是垃圾后，下面我们来看一下，面对这些垃圾对象，JVM的回收算法都有哪些。
1、 标记-清除算法（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，找出哪些是垃圾需要回收的对象，并且把它们标记出来。
- 第二步“清除”，把第一步标记为“UnReference Object”（无引用或不可达）的对象清除掉，释放内存空间。
这种算法的缺点主要有两点：
（1） 标记和清除两个过程都比较耗时，效率不高
（2） 清除后会产生大量不连续的内存碎片空间，碎片空间太多可能会导致当程序后续需要创建较大对象时，无法找到足够连续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，每次使用其中一块，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上去，然后把之前使用的那一块进行格式化，一次性清除干净。
（清除前）
（清除后）
“标记-复制”算法的缺点显而易见，就是内存空间利用率低。
3、 标记-整理算法（Mark-Compact）
标记整理算法标记过程仍然与"标记-清除"算法一样，但是后续步骤不是直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移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。
将所有存活的对象向一边移动，清理掉存活边界以外的全部内存空间。
结合这三种算法我们可以看到，
- “标记-复制”算法的优点是回收效率高，但空间利用率上有一定的浪费。
- 而“标记-整理”算法由于需要向一侧移动等一系列操作，其效率相对低一些，但对内存空间管理上十分优异。
- 因此，“标记-复制”算法适用于那些生命周期短、回收频率高的内存对象，
- 而标记-整理”算法适用于那些生命周期长、回收频率低，但注重回收一次内存空间得到足够释放的场景。
因此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，使用一两次就不再使用的对象，回收一次基本上该区域十之有八的对象全部被回收清理掉，因此Young区采用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，经过多次回收后仍然存活的对象，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，再进行一次统一的回收，释放出足够的连续的内存空间。
9、各种问世的垃圾收集器
鉴于Young区和Old区需要采用不同的垃圾回收算法，因此在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，大概是2000年左右，那个时代基本计算机都是单核一个CPU的，因此垃圾回收最初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相对于正常业务线程执行来说还是STW（stop the world）的，使用一个CPU或者一条收集线程去完成垃圾收集工作，这个线程执行的时候其它线程需要停止。
串行收集器采用单线程stop-the-world的方式进行收集。当内存不足时，串行GC设置停顿标识，待所有线程都进入安全点(Safepoint)时，应用线程暂停，串行GC开始工作，采用单线程方式回收空间并整理内存。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有效利用多核优势。因此，串行收集器特别适合堆内存不高、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目标的垃圾收集器，也是server模式下的默认收集器配置，对吞吐量的关注主要体现在年轻代Parallel Scavenge收集器上。
并行收集器与串行收集器工作模式相似，都是stop-the-world方式，只是暂停时并行地进行垃圾收集。年轻代采用复制算法，老年代采用标记-整理，在回收的同时还会对内存进行压缩。关注吞吐量主要指年轻代的Parallel Scavenge收集器，通过两个目标参数-XX:MaxGCPauseMills和-XX:GCTimeRatio，调整新生代空间大小，来降低GC触发的频率。并行收集器适合对吞吐量要求远远高于延迟要求的场景，并且在满足最差延时的情况下，并行收集器将提供最佳的吞吐量。
3、 并发时代：CMS（Old区）
并发标记清除(CMS)是以关注延迟为目标、十分优秀的垃圾回收算法，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历：初始标记、并发标记、重新标记、并发清除。其中，初始标记以STW的方式标记所有的根对象；并发标记则同应用线程一起并行，标记出根对象的可达路径；在进行垃圾回收前，CMS再以一个STW进行重新标记，标记那些由mutator线程(指引起数据变化的线程，即应用线程)修改而可能错过的可达对象；最后得到的不可达对象将在并发清除阶段进行回收。值得注意的是，初始标记和重新标记都已优化为多线程执行。CMS非常适合堆内存大、CPU核数多的服务器端应用，也是G1出现之前大型应用的首选收集器。
- 但CMS有以下两个缺陷：
- （1）由于它是标记-清除不是标记-整理，因此会产生内存碎片，Old区会随着时间的推移而终究被耗尽或产生无法分配大对象的情况。最后不得不通过底层的担保机制（CMS背后有串行的回收作为兜底）进行一次Full GC，并进行内存压缩。
- （2）由于标记和清除都是通应用线程并发进行，两类线程同时执行时会增加堆内存的占用，一旦某一时刻内存不够用，就会触发底层担保机制，又采用串行回收进行一次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他收集器有很大差别，它将整个Java堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），虽然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（不需要连续）的集合。
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主要有以下三点：
（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，要么处于空闲；
（2）整体上采用了“标记-整理算法”，不会产生内存碎片
（3）可预测的停顿，G1整体采用的策略是“筛选回收”，也就是回收前会对各个待回收的Region的回收价值和成本进行排序，根据G1配置所期望的回收时间，选择排在前面的几个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较多的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
这篇文章简单提一下这个最新问世的垃圾收集器，之所以叫“Zero GC”是因为它追求的是更低的GC停顿时间，追求的目标是：支持TB级堆内存（最大4T）、最大GC停顿10ms。JDK11新引入的ZGC收集器，不管是物理上还是逻辑上，ZGC中已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，因此没有碎片问题。由于其是JDK11和只能在64位的linux上使用，因此目前用得还比较少。
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内存管理的整体的体系化理解。感谢。
拓展阅读：十个问题弄清JVM&GC（二）
作者：宜信技术学院 谭文涛
原文链接：https://developer.aliyun.com/article/770672?
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