基础知识

运行时数据区域

1. 堆(Heap):

• 特点：
  • 存储的是我们new来的对象，不存放基本类型和对象引用
  • 由于创建了大量的对象，垃圾回收器主要工作在这块区域
  • 线程共享区域，因此是线程不安全的
  • 能够发生OutOfMemoryError（内存溢出异常）

• 结构：
  • 新生代：Eden区、Survivor 1区、Survivor 2区
  • 老年代

1. 虚拟机栈(VM Stack)

• 特点：
  • 线程私有区域，每一个线程都有独享一个虚拟机栈，因此这是线程安全的区域
  • 存放基本数据类型以及对象的引用
  • 每一个方法执行的时候会在虚拟机栈中创建一个相应栈帧，方法执行完毕后该栈帧就会被销毁。方法栈帧是以先进后出的方式虚拟机栈的
  • 每一个栈帧又可以划分为局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口以及额外的附加信息
  • 这个区域可能有两种异常：StackOverflowError异常（栈溢出）、OutOfMemoryError异常（内存溢出）

1. 本地方法栈(Native Method Stack)

• 概念：本地方法栈是Java程序在调用本地方法的时候创建栈帧的地方

1. 方法区(Method Area)

• 概念：方法区是Java虚拟机规范中的定义，是一种规范，永久代是一种实现，Java 8 后元空间取代了永久代
• 特点：
  • 线程共享区域，因此这是线程不安全的区域
  • 方法区也是一个可能会发生OutOfMemoryError的区域
  • 方法区存储的是从Class文件加载进来的静态变量、类信息、常量池以及编译器编译后的代码
• 常量池：常量池可以分为Class文件常量池以及运行时常量池，Java程序运行后，Class文件中的信息被字节码执行引擎加载到了方法区，从而形成了运行时常量池

1. 程序计数器

• 作用：记录当前线程所执行的位置。
• 相关知识：进程是资源分配的最小单位，线程是CPU调度的最小单位，一个进程可以包含多个线程， Java线程通过抢占的方法获得CPU的执行权
• 特点：
  • 线程私有，每一个线程都有一个程序计数器，因此它是线程安全的
  • 唯一一块不存在OutOfMemoryError的区域

对象的创建与访问

1. 对象的创建

• 过程：当虚拟机遇到字节码new指令时，就会去运行时常量池寻找该实例化对象相对应的类是否被加载、解析和初始化。如果没有被加载，就会先加载该类的信息，否则就为新生对象分配内存
• 分配内存的两种方法：
  • 指针碰撞：通过一个类似于指针的东西为对象分配内存，前提是堆空间是相对规整的
  • 空闲列表：堆空间不规整，使用一个列表记录了哪些空间是空闲的，分配内存的时候会更新列表

1. 对象的内存布局

• 布局：
  • 对象头
    • 第一类信息：存储对象自身的运行时数据，例如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志等等
    • 第二类信息：指针类型，Java虚拟机通过这个指针来确定该对象是那个类的实例
  • 实例数据：对象真正存储的有效信息
  • 对齐填充：没有实际的意义，起着占位符的作用

1. 对象的访问定位

• 对象引用储存在虚拟机栈中，而对象创建却在堆中创建，如何实现对象访问？
• 访问方式：
  • 使用句柄访问，通常会在Java堆中划分一块句柄池

• 使用直接指针，这样Java虚拟机栈中存储的就是该对象在堆中的地址

• 对比：
  • 使用直接指针进行访问，就可以直接定位到对象，减小了一次指针定位的时间开销（使用句柄的话会通过句柄池的指针二次定位对象），最大的好处就是速度更快。但是使用句柄的话，就是当对象发生移动的时候，可以不用改变栈中存储的reference，只需要改变句柄池中实例数据的指针

垃圾收集算法

1. 论对象已死？

• 对象判断是否被销毁的两种方法
  • 引用计数算法： 为对象添加一个引用计数器，每当对象在一个地方被引用，则该计数器加1；每当对象引用失效时，计数器减1。但计数器为0的时候，就表明该对象没有被引用
  • 可达性分析算法：通过一系列被称之为“GC Roots”的根节点开始，沿着引用链进行搜索，凡是在引用链上的对象都不会被回收
• 列举可以作为GC Roots的对象
  • Java虚拟机栈中被引用的对象，各个线程调用的参数、局部变量、临时变量等
  • 方法区中类静态属性引用的对象，比如引用类型的静态变量
  • 方法区中常量引用的对象
  • 本地方法栈中所引用的对象
  • Java虚拟机内部的引用，基本数据类型对应的Class对象，一些常驻的异常对象
  • 被同步锁（synchronized）持有的对象

1. 收集算法

• 标记—清除算法

• 特点

  • 垃圾回收之后，堆空间有大量的碎片

    • 复制算法

    

• 特点：堆空间使用率降低

• GC的分类：
  • Minor GC/Young GC：针对新生代的垃圾收集
  • Major GC/Old GC：针对老年代的垃圾收集
  • Full GC：针对整个Java堆以及方法区的垃圾收集
• GC流程
  • 初次被创建的对象存放在新生代的Eden区，当第一次触发Minor GC，Eden区存活的对象被转移到Survivor区的某一块区域。以后再次触发Minor GC的时候，Eden区的对象连同一块Survivor区的对象一起，被转移到了另一块Survivor区。可以看到，这两块Survivor区我们每一次只使用其中的一块，这样也仅仅是浪费了一块Survivor区
  • 每经历过一次垃圾回收的对象，它的分代年龄就加1，当分代年龄达到15以后，就直接被存放到老年代中
  • 大对象就会直接进入老年代

• 标记—整理算法

• 步骤：进行标记之后，存活的对象会移动到堆的一端，然后直接清理存活对象以外的区域就可以了
• 缺点：每次进行垃圾回收的时候，都要暂停所有的用户线程，特别是对老年代的对象回收，则需要更长的回收时间

HotSpot的算法细节

1. 根节点枚举

描述：就是找出可以作为GC Roots的对象，HotSpot虚拟机通过一个叫做OopMap的数据结构，可以知道哪些地方存储了对象引用

1. 安全点

描述：是线程能够中断的点，GC Roots遍历的时候，是一定要让用户线程停下来的，为了使得线程到达最近的安全点停下来，有两种思路：

• 抢先式中断：暂停所有的用户线程，如果哪条线程没有在安全点，就恢复这条线程执行，直到它跑到安全点上在中断。不过没有Java虚拟机采用这种思路
• 主动式中断： 不对线程进行操作，仅仅设置一个简单的标志位，线程执行的时候不断去轮询这个标志位，当这个标志位为真的时候，线程就在离自己最近的安全点挂起

经典的垃圾收集器

1. Serial 收集器

进行垃圾收集的时候会暂停所有的工作线程，直到完成垃圾收集过程

1. ParNew 收集器

实则是Serial 垃圾收集器的多线程版本，这个多线程在于ParNew垃圾收集器可以使用多条线程进行垃圾回收

1. Parallel Scavenge 收集器

基于标记—复制算法实现的，它最大的特点是可以控制吞吐量。

1. CMS 收集器

追求最短停顿时间的垃圾收集器，基于标记—清除算法实现的

• 过程：
  • 初始标记： 需要Stop The World，这里仅仅标记GC Roots能够直接关联的对象，所以速度很快。
  • 并发标记： 从关联对象遍历整个GC Roots的引用链，这个过程耗时最长，但是却可以和用户线程并发运行。
  • 重新标记： 修正并发时间，因为用户线程可能会导致标记产生变动，同样需要Stop The World。
  • 并发清除： 清除已经死亡的对象。

1. G1 收集器

将堆的整个内存布局做了修改，在G1中整个堆划分为多个大小相等的独立区域Region，虽然在逻辑上还保留了新生代和老年代，但是物理上已经隔离了

1. 如何选择收集器

• 串行收集器：Serial和Serial Old单线程收集，适用于内存较小的嵌入式设备。
• 并行收集器【吞吐量优先】：Parallel Scanvage+Parallel Old，适用于科学计算、后台处理等场景。
• 并行收集器【GC停顿时间优先】：CMS和G1，适用于对时间有要求的场景，例如Web应用。

JVM调优

1. JVM参数

• 标准参数： 以”-“开头的参数称为标准参数
• -X参数：以-X开头的参数是在特定版本HotSpot支持的命令
• -XX参数：-XX是不稳定的参数，也是主要参数，分为Boolean类型和非Boolean类型
  • Boolean型：-XX:[+-]：+或-表示启用或者禁用name属性
  • 非Boolean型：-XX=：name表示属性，value表示属性对应的值
• 其他参数

1. 常用参数 | 设置 | 说明 | | —- | —- | | -XX:ClCompilerCount=3 | 最大并行编译数，大于1时可以提高编译速度，但会影响系统稳定性 | | -XX:InitialHeapSize=100m | 初始堆大小，可以简写为-Xms100 | | -XX:MaxHeapSize | 最大堆大小，可以简写为-Xmx100 | | -XX:NewSize=20m | 设置年轻代大小 | | -XX:MaxNewSize | 设置年轻代最大值 | | -XX:OldSize=50m | 设置老年代大小 | | -XX:MetaspaceSize=50m | 设置方法区大小，jdk1.8才有，用元空间代替方法区 | | -XX:+UseParallelGC | 设置Parallel Scanvage作为新生代收集器，系统默认会选择Parallel Old作为老年代收集器 | | -XX:NewRatio | 新生代和老年代的比值，比如 -XX:NewRatio=4表示新生代：老年代=1：4 | | -XX:SurvivorRatio | 表示两个S区和Eden区的比值，比如-XX:SurvivorRatio=8表示（S0+S1）:Eden=2:8 |