不管是BAT面試，還是工作實踐中的JVM調(diào)優(yōu)以及參數(shù)設(shè)置，或者內(nèi)存溢出檢測等，都需要涉及到Java虛擬機的內(nèi)存模型、內(nèi)存分配，以及回收算法機制等，這些都是必考、必會技能。

JVM內(nèi)存模型

JVM內(nèi)存模型可以分為兩個部分，如下圖所示，堆和方法區(qū)是所有線程共有的，而虛擬機棧，本地方法棧和程序計數(shù)器則是線程私有的。

1. 堆（Heap）

堆內(nèi)存是所有線程共有的，可以分為兩個部分：年輕代和老年代。下圖中的Perm代表的是永久代，但是注意永久代并不屬于堆內(nèi)存中的一部分，同時jdk1.8之后永久代也將被移除。

堆是java虛擬機所管理的內(nèi)存中最大的一塊內(nèi)存區(qū)域，也是被各個線程共享的內(nèi)存區(qū)域，該內(nèi)存區(qū)域存放了對象實例及數(shù)組（但不是所有的對象實例都在堆中）。其大小通過-Xms（最小值）和-Xmx（最大值）參數(shù)設(shè)置（最大最小值都要小于1G），前者為啟動時申請的最小內(nèi)存，默認(rèn)為操作系統(tǒng)物理內(nèi)存的1/64，后者為JVM可申請的最大內(nèi)存,默認(rèn)為物理內(nèi)存的1/4，默認(rèn)當(dāng)空余堆內(nèi)存小于40%時，JVM會增大堆內(nèi)存到-Xmx指定的大小，可通過-XX:MinHeapFreeRation=來指定這個比列；當(dāng)空余堆內(nèi)存大于70%時，JVM會減小堆內(nèi)存的大小到-Xms指定的大小，可通過XX:MaxHeapFreeRation=來指定這個比列，當(dāng)然為了避免在運行時頻繁調(diào)整Heap的大小，通常-Xms與-Xmx的值設(shè)成一樣。堆內(nèi)存 = 新生代+老生代+持久代。在我們垃圾回收的時候，我們往往將堆內(nèi)存分成新生代和老生代（大小比例1：2），新生代中由Eden和Survivor0，Survivor1組成，三者的比例是8：1：1，新生代的回收機制采用復(fù)制算法，在Minor GC的時候，我們都留一個存活區(qū)用來存放存活的對象，真正進行的區(qū)域是Eden+其中一個存活區(qū)，當(dāng)我們的對象時長超過一定年齡時（默認(rèn)15，可以通過參數(shù)設(shè)置），將會把對象放入老生代，當(dāng)然大的對象會直接進入老生代。老生代采用的回收算法是標(biāo)記整理算法。

2. 方法區(qū)（Method Area）

方法區(qū)也稱”永久代“，它用于存儲虛擬機加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、是各個線程共享的內(nèi)存區(qū)域。默認(rèn)最小值為16MB，最大值為64MB（64位JVM由于指針膨脹，默認(rèn)是85M），可以通過-XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 參數(shù)限制方法區(qū)的大小。它是一片連續(xù)的堆空間，永久代的垃圾收集是和老年代（old generation）捆綁在一起的，因此無論誰滿了，都會觸發(fā)永久代和老年代的垃圾收集。不過，一個明顯的問題是，當(dāng)JVM加載的類信息容量超過了參數(shù)-XX：MaxPermSize設(shè)定的值時，應(yīng)用將會報OOM的錯誤。參數(shù)是通過-XX:PermSize和-XX：MaxPermSize來設(shè)定的。

3.虛擬機棧（JVM Stack）

描述的是java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個方法被執(zhí)行的時候都會創(chuàng)建一個”棧幀”,用于存儲局部變量表（包括參數(shù)）、操作棧、方法出口等信息。每個方法被調(diào)用到執(zhí)行完的過程，就對應(yīng)著一個棧幀在虛擬機棧中從入棧到出棧的過程。聲明周期與線程相同，是線程私有的。棧幀由三部分組成：局部變量區(qū)、操作數(shù)棧、幀數(shù)據(jù)區(qū)。局部變量區(qū)被組織為以一個字長為單位、從0開始計數(shù)的數(shù)組，和局部變量區(qū)一樣，操作數(shù)棧也被組織成一個以字長為單位的數(shù)組。但和前者不同的是，它不是通過索引來訪問的，而是通過入棧和出棧來訪問的，可以看作為臨時數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域。除了局部變量區(qū)和操作數(shù)棧外，java棧幀還需要一些數(shù)據(jù)來支持常量池解析、正常方法返回以及異常派發(fā)機制。這些數(shù)據(jù)都保存在java棧幀的幀數(shù)據(jù)區(qū)中。

局部變量表: 存放了編譯器可知的各種基本數(shù)據(jù)類型、對象引用（引用指針，并非對象本身），其中64位長度的long和double類型的數(shù)據(jù)會占用2個局部變量的空間，其余數(shù)據(jù)類型只占1個。局部變量表所需的內(nèi)存空間在編譯期間完成分配，當(dāng)進入一個方法時，這個方法需要在棧幀中分配多大的局部變量是完全確定的，在運行期間棧幀不會改變局部變量表的大小空間。

4.本地方法棧（Native Stack）

與虛擬機棧基本類似，區(qū)別在于虛擬機棧為虛擬機執(zhí)行的java方法服務(wù)，而本地方法棧則是為Native方法服務(wù)。（棧的空間大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于堆）

5.程序計數(shù)器（PC Register）

是最小的一塊內(nèi)存區(qū)域，它的作用是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器，在虛擬機的模型里，字節(jié)碼解釋器工作時就是通過改變這個計數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴計數(shù)器完成。

6.直接內(nèi)存

直接內(nèi)存并不是虛擬機內(nèi)存的一部分，也不是Java虛擬機規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域。jdk1.4中新加入的NIO，引入了通道與緩沖區(qū)的IO方式，它可以調(diào)用Native方法直接分配堆外內(nèi)存，這個堆外內(nèi)存就是本機內(nèi)存，不會影響到堆內(nèi)存的大小.

JVM垃圾回收算法

1.標(biāo)記清除

原理：

• 從根集合節(jié)點進行掃描，標(biāo)記出所有的存活對象，最后掃描整個內(nèi)存空間并清除沒有標(biāo)記的對象（即死亡對象）

適用場合：

• 存活對象較多的情況下比較高效
• 適用于年老代（即舊生代）

缺點：

• 標(biāo)記清除算法帶來的一個問題是會存在大量的空間碎片，因為回收后的空間是不連續(xù)的，這樣給大對象分配內(nèi)存的時候可能會提前觸發(fā)full gc。

2.復(fù)制算法

原理：

• 從根集合節(jié)點進行掃描，標(biāo)記出所有的存活對象，并將這些存活的對象復(fù)制到一塊兒新的內(nèi)存（圖中下邊的那一塊兒內(nèi)存）上去，之后將原來的那一塊兒內(nèi)存（圖中上邊的那一塊兒內(nèi)存）全部回收掉

適用場合：

• 存活對象較少的情況下比較高效
• 掃描了整個空間一次（標(biāo)記存活對象并復(fù)制移動）
• 適用于年輕代（即新生代）：基本上98%的對象是”朝生夕死”的，存活下來的會很少

缺點：

• 需要一塊兒空的內(nèi)存空間
• 需要復(fù)制移動對象

3.標(biāo)記整理

原理：

• 從根集合節(jié)點進行掃描，標(biāo)記出所有的存活對象，最后掃描整個內(nèi)存空間并清除沒有標(biāo)記的對象（即死亡對象）（可以發(fā)現(xiàn)前邊這些就是標(biāo)記-清除算法的原理），清除完之后，將所有的存活對象左移到一起。

適用場合：

• 用于年老代（即舊生代）

缺點：

• 需要移動對象，若對象非常多而且標(biāo)記回收后的內(nèi)存非常不完整，可能移動這個動作也會耗費一定時間
• 掃描了整個空間兩次（第一次：標(biāo)記存活對象；第二次：清除沒有標(biāo)記的對象）

優(yōu)點：

• 不會產(chǎn)生內(nèi)存碎片

4.增量算法

增量算法的基本思想是，如果一次性將所有的垃圾進行處理，需要造成系統(tǒng)長時間的停頓，那么就可以讓垃圾收集線程和應(yīng)用程序線程交替執(zhí)行。每次，垃圾收集線程只收集一小片區(qū)域的內(nèi)存空間，接著切換到應(yīng)用程序線程。依次反復(fù)，直到垃圾收集完成。使用這種方式，由于在垃圾回收過程中，間斷性地還執(zhí)行了應(yīng)用程序代碼，所以能減少系統(tǒng)的停頓時間。但是，因為線程切換和上下文轉(zhuǎn)換的消耗，會使得垃圾回收的總體成本上升，造成系統(tǒng)吞吐量的下降。

垃圾回收器

1.Serial收集器

Serial收集器是最古老的收集器，它的缺點是當(dāng)Serial收集器想進行垃圾回收的時候，必須暫停用戶的所有進程，即stop the world。到現(xiàn)在為止，它依然是虛擬機運行在client模式下的默認(rèn)新生代收集器，與其他收集器相比，對于限定在單個CPU的運行環(huán)境來說，Serial收集器由于沒有線程交互的開銷，專心做垃圾回收自然可以獲得最高的單線程收集效率。

2.ParNew收集器

ParNew收集器是Serial收集器新生代的多線程實現(xiàn)，注意在進行垃圾回收的時候依然會stop the world，只是相比較Serial收集器而言它會運行多條進程進行垃圾回收。

ParNew收集器在單CPU的環(huán)境中絕對不會有比Serial收集器更好的效果，甚至由于存在線程交互的開銷，該收集器在通過超線程技術(shù)實現(xiàn)的兩個CPU的環(huán)境中都不能百分之百的保證能超越Serial收集器。當(dāng)然，隨著可以使用的CPU的數(shù)量增加，它對于GC時系統(tǒng)資源的利用還是很有好處的。它默認(rèn)開啟的收集線程數(shù)與CPU的數(shù)量相同，在CPU非常多（譬如32個，現(xiàn)在CPU動輒4核加超線程，服務(wù)器超過32個邏輯CPU的情況越來越多了）的環(huán)境下，可以使用-XX:ParallelGCThreads參數(shù)來限制垃圾收集的線程數(shù)。

3.Parallel Scavenge收集器

Parallel是采用復(fù)制算法的多線程新生代垃圾回收器，似乎和ParNew收集器有很多的相似的地方。但是Parallel Scanvenge收集器的一個特點是它所關(guān)注的目標(biāo)是吞吐量（Throughput）。所謂吞吐量就是CPU用于運行用戶代碼的時間與CPU總消耗時間的比值，即吞吐量=運行用戶代碼時間 / （運行用戶代碼時間 + 垃圾收集時間）。停頓時間越短就越適合需要與用戶交互的程序，良好的響應(yīng)速度能夠提升用戶的體驗；而高吞吐量則可以最高效率地利用CPU時間，盡快地完成程序的運算任務(wù)，主要適合在后臺運算而不需要太多交互的任務(wù)。

4.CMS收集器

CMS（Concurrent Mark Swep）收集器是一個比較重要的回收器，現(xiàn)在應(yīng)用非常廣泛，我們重點來看一下，CMS一種獲取最短回收停頓時間為目標(biāo)的收集器，這使得它很適合用于和用戶交互的業(yè)務(wù)。從名字（Mark Swep）就可以看出，CMS收集器是基于標(biāo)記清除算法實現(xiàn)的。它的收集過程分為四個步驟：

初始標(biāo)記（initial mark）

并發(fā)標(biāo)記（concurrent mark）

重新標(biāo)記（remark）

并發(fā)清除（concurrent sweep）

注意初始標(biāo)記和重新標(biāo)記還是會stop the world，但是在耗費時間更長的并發(fā)標(biāo)記和并發(fā)清除兩個階段都可以和用戶進程同時工作。

不過由于CMS收集器是基于標(biāo)記清除算法實現(xiàn)的，會導(dǎo)致有大量的空間碎片產(chǎn)生，在為大對象分配內(nèi)存的時候，往往會出現(xiàn)老年代還有很大的空間剩余，但是無法找到足夠大的連續(xù)空間來分配當(dāng)前對象，不得不提前開啟一次Full GC。

為了解決這個問題，CMS收集器默認(rèn)提供了一個-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection收集開關(guān)參數(shù)（默認(rèn)就是開啟的），用于在CMS收集器進行FullGC完開啟內(nèi)存碎片的合并整理過程，內(nèi)存整理的過程是無法并發(fā)的，這樣內(nèi)存碎片問題倒是沒有了，不過停頓時間不得不變長。虛擬機設(shè)計者還提供了另外一個參數(shù)-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction參數(shù)用于設(shè)置執(zhí)行多少次不壓縮的FULL GC后跟著來一次帶壓縮的（默認(rèn)值為0，表示每次進入Full GC時都進行碎片整理）。

不幸的是，它作為老年代的收集器，卻無法與jdk1.4中已經(jīng)存在的新生代收集器Parallel Scavenge配合工作，所以在jdk1.5中使用cms來收集老年代的時候，新生代只能選擇ParNew或Serial收集器中的一個。ParNew收集器是使用-XX:+UseConcMarkSweepGC選項啟用CMS收集器之后的默認(rèn)新生代收集器，也可以使用-XX:+UseParNewGC選項來強制指定它。

5.G1收集器

G1收集器是一款面向服務(wù)端應(yīng)用的垃圾收集器。HotSpot團隊賦予它的使命是在未來替換掉JDK1.5中發(fā)布的CMS收集器。與其他GC收集器相比，G1具備如下特點：

并行與并發(fā)：G1能更充分的利用CPU，多核環(huán)境下的硬件優(yōu)勢來縮短stop the world的停頓時間。

分代收集：和其他收集器一樣，分代的概念在G1中依然存在，不過G1不需要其他的垃圾回收器的配合就可以獨自管理整個GC堆。

空間整合：G1收集器有利于程序長時間運行，分配大對象時不會無法得到連續(xù)的空間而提前觸發(fā)一次GC。

可預(yù)測的非停頓：這是G1相對于CMS的另一大優(yōu)勢，降低停頓時間是G1和CMS共同的關(guān)注點，能讓使用者明確指定在一個長度為M毫秒的時間片段內(nèi)，消耗在垃圾收集上的時間不得超過N毫秒。

在使用G1收集器時，Java堆的內(nèi)存布局和其他收集器有很大的差別，它將這個Java堆分為多個大小相等的獨立區(qū)域，雖然還保留新生代和老年代的概念，但是新生代和老年代不再是物理隔離的了，它們都是一部分Region（不需要連續(xù)）的集合。

雖然G1看起來有很多優(yōu)點，實際上CMS還是主流。

與GC相關(guān)的常用參數(shù)

除了上面提及的一些參數(shù)，下面補充一些和GC相關(guān)的常用參數(shù)：

• -Xmx: 設(shè)置堆內(nèi)存的最大值。
• -Xms: 設(shè)置堆內(nèi)存的初始值。
• -Xmn: 設(shè)置新生代的大小。
• -Xss: 設(shè)置棧的大小。
• -PretenureSizeThreshold: 直接晉升到老年代的對象大小，設(shè)置這個參數(shù)后，大于這個參數(shù)的對象將直接在老年代分配。
• -MaxTenuringThrehold: 晉升到老年代的對象年齡。每個對象在堅持過一次Minor GC之后，年齡就會加1，當(dāng)超過這個參數(shù)值時就進入老年代。
• -UseAdaptiveSizePolicy: 在這種模式下，新生代的大小、eden 和 survivor 的比例、晉升老年代的對象年齡等參數(shù)會被自動調(diào)整，以達(dá)到在堆大小、吞吐量和停頓時間之間的平衡點。在手工調(diào)優(yōu)比較困難的場合，可以直接使用這種自適應(yīng)的方式，僅指定虛擬機的最大堆、目標(biāo)的吞吐量 （GCTimeRatio） 和停頓時間 （MaxGCPauseMills），讓虛擬機自己完成調(diào)優(yōu)工作。
• -SurvivorRattio: 新生代Eden區(qū)域與Survivor區(qū)域的容量比值，默認(rèn)為8，代表Eden: Suvivor= 8: 1。
• -XX:ParallelGCThreads：設(shè)置用于垃圾回收的線程數(shù)。通常情況下可以和 CPU 數(shù)量相等。但在 CPU 數(shù)量比較多的情況下，設(shè)置相對較小的數(shù)值也是合理的。
• -XX:MaxGCPauseMills：設(shè)置最大垃圾收集停頓時間。它的值是一個大于 0 的整數(shù)。收集器在工作時，會調(diào)整 Java 堆大小或者其他一些參數(shù)，盡可能地把停頓時間控制在 MaxGCPauseMills 以內(nèi)。
• -XX:GCTimeRatio:設(shè)置吞吐量大小，它的值是一個 0-100 之間的整數(shù)。假設(shè) GCTimeRatio 的值為 n，那么系統(tǒng)將花費不超過 1/（1+n） 的時間用于垃圾收集。

你可能也喜歡:

Java必考題目之JVM面試題目和答案

直通BAT必考題系列：深入詳解JVM內(nèi)存模型與JVM參數(shù)詳細(xì)配置

直通BAT必考題系列：JVM的4種垃圾回收算法、垃圾回收機制與總結(jié)

直通BAT必考題系列：7種JVM垃圾收集器特點，優(yōu)劣勢、及使用場景

4大JVM性能分析工具詳解，及內(nèi)存泄漏分析方案

直通BAT必考題系列：深入剖析JVM之G1收集器、及回收流程、與推薦用例

---

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的阿里P8架构师谈：JVM的内存分配、运行原理、回收算法机制的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。