Java——JVM相关

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转自： https://www.cnblogs.com/ityouknow/p/5610232.html

看一张图，这张图能很清晰的说明JVM内存结构布局。

Java的内存结构：

JVM内存结构主要有三大块：堆内存、方法区和栈。堆内存是JVM中最大的一块由年轻代和老年代组成，而年轻代内存又被分成三部分，Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间,默认情况下年轻代按照8:1:1的比例来分配；

方法区存储类信息、常量、静态变量等数据，是线程共享的区域，为与Java堆区分，方法区还有一个别名Non-Heap(非堆)；栈又分为java虚拟机栈和本地方法栈主要用于方法的执行。

在通过一张图来了解如何通过参数来控制各区域的内存大小

控制参数
-Xms设置堆的最小空间大小。

-Xmx设置堆的最大空间大小。

-XX:NewSize设置新生代最小空间大小。

-XX:MaxNewSize设置新生代最大空间大小。

-XX:PermSize设置永久代最小空间大小。

-XX:MaxPermSize设置永久代最大空间大小。

-Xss设置每个线程的堆栈大小。

没有直接设置老年代的参数，但是可以设置堆空间大小和新生代空间大小两个参数来间接控制。

  老年代空间大小=堆空间大小-年轻代大空间大小

从更高的一个维度再次来看JVM和系统调用之间的关系

方法区和对是所有线程共享的内存区域；而java栈、本地方法栈和程序员计数器是运行是线程私有的内存区域。

下面我们详细介绍每个区域的作用

Java堆（Heap）

    对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

     Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”。如果从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。

根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。

如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区（Method Area）

  方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。

对于习惯在HotSpot虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。

Java虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是有必要的。

根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。 

程序计数器（Program Counter Register）

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。 
由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。
      如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Natvie方法，这个计数器值则为空（Undefined）。

此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

JVM栈（JVM Stacks）

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。 

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈（Native Method Stacks）

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（譬如Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

1）共享内存区划分

• 共享内存区 = 持久带 + 堆
• 持久带 = 方法区 + 其他
• Java堆 = 老年代 + 新生代
• 新生代 = Eden + S0 + S1

2）一些参数的配置

• 默认的，新生代 ( Young ) 与老年代 ( Old ) 的比例的值为 1:2 ，可以通过参数 –XX:NewRatio 配置。
• 默认的，Edem : from : to = 8 : 1 : 1 ( 可以通过参数 –XX:SurvivorRatio 来设定)
• Survivor区中的对象被复制次数为15(对应虚拟机参数 -XX:+MaxTenuringThreshold)

3)为什么要分为Eden和Survivor?为什么要设置两个Survivor区？

• 如果没有Survivor，Eden区每进行一次Minor GC，存活的对象就会被送到老年代。老年代很快被填满，触发Major GC.老年代的内存空间远大于新生代，进行一次Full GC消耗的时间比Minor GC长得多,所以需要分为Eden和Survivor。
• Survivor的存在意义，就是减少被送到老年代的对象，进而减少Full GC的发生，Survivor的预筛选保证，只有经历16次Minor GC还能在新生代中存活的对象，才会被送到老年代。
• 设置两个Survivor区最大的好处就是解决了碎片化，刚刚新建的对象在Eden中，经历一次Minor GC，Eden中的存活对象就会被移动到第一块survivor space S0，Eden被清空；等Eden区再满了，就再触发一次Minor GC，Eden和S0中的存活对象又会被复制送入第二块survivor space S1（这个过程非常重要，因为这种复制算法保证了S1中来自S0和Eden两部分的存活对象占用连续的内存空间，避免了碎片化的发生）

4. JVM中一次完整的GC流程是怎样的，对象如何晋升到老年代

思路： 先描述一下Java堆内存划分，再解释Minor GC，Major GC，full GC，描述它们之间转化流程。

我的答案：

• Java堆 = 老年代 + 新生代
• 新生代 = Eden + S0 + S1
• 当 Eden 区的空间满了， Java虚拟机会触发一次 Minor GC，以收集新生代的垃圾，存活下来的对象，则会转移到 Survivor区。
• 大对象（需要大量连续内存空间的Java对象，如那种很长的字符串）直接进入老年态；
• 如果对象在Eden出生，并经过第一次Minor GC后仍然存活，并且被Survivor容纳的话，年龄设为1，每熬过一次Minor GC，年龄+1，若年龄超过一定限制（15），则被晋升到老年态。即长期存活的对象进入老年态。
• 老年代满了而无法容纳更多的对象，Minor GC 之后通常就会进行Full GC，Full GC 清理整个内存堆 – 包括年轻代和年老代。
• Major GC 发生在老年代的GC，清理老年区，经常会伴随至少一次Minor GC，比Minor GC慢10倍以上。

5.你知道哪几种垃圾收集器，各自的优缺点，重点讲下cms和G1，包括原理，流程，优缺点。

思路： 一定要记住典型的垃圾收集器，尤其cms和G1，它们的原理与区别，涉及的垃圾回收算法。

我的答案：

1）几种垃圾收集器：

• Serial收集器： 单线程的收集器，收集垃圾时，必须stop the world，使用复制算法。
• ParNew收集器： Serial收集器的多线程版本，也需要stop the world，复制算法。
• Parallel Scavenge收集器： 新生代收集器，复制算法的收集器，并发的多线程收集器，目标是达到一个可控的吞吐量。如果虚拟机总共运行100分钟，其中垃圾花掉1分钟，吞吐量就是99%。
• Serial Old收集器： 是Serial收集器的老年代版本，单线程收集器，使用标记整理算法。
• Parallel Old收集器： 是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程，标记-整理算法。
• CMS(Concurrent Mark Sweep) 收集器： 是一种以获得最短回收停顿时间为目标的收集器，标记清除算法，运作过程：初始标记，并发标记，重新标记，并发清除，收集结束会产生大量空间碎片。
• G1收集器： 标记整理算法实现，运作流程主要包括以下：初始标记，并发标记，最终标记，筛选标记。不会产生空间碎片，可以精确地控制停顿。

2）CMS收集器和G1收集器的区别：

• CMS收集器是老年代的收集器，可以配合新生代的Serial和ParNew收集器一起使用；
• G1收集器收集范围是老年代和新生代，不需要结合其他收集器使用；
• CMS收集器以最小的停顿时间为目标的收集器；
• G1收集器可预测垃圾回收的停顿时间
• CMS收集器是使用“标记-清除”算法进行的垃圾回收，容易产生内存碎片
• G1收集器使用的是“标记-整理”算法，进行了空间整合，降低了内存空间碎片。

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