JVM内存模型以及HotSpot的GC策略

概述

想要进一步掌握Java语言，必须要深入了解一下Java程序的运行环境。本文会对JVM的内存模型、Java内存自动管理机制、以及Oracle官方虚拟机HotSpot在GC方面的实现策略进行大概的梳理。

什么是Java的内存模型？

众所周知，Java程序是运行在JVM上面的，但是不具体指定是哪一款JVM，只要是符合一定的规范的JVM，都可以正确的运行Java字节码。该规范由Oracle官方提供，旨在描述一个抽象的JVM，它包含很多部分，包括class文件结构、运行时内存状态、指令集等。

而上述所说的运行时内存状态这一部分，就是常说的JVM（Java） 的内存模型。它主要描述的是运行时，各类型数据在内存中的呈现方式。JVM内存模型并没有指定该呈现方式的具体实现方式，而是指定了一些逻辑上应该拥有的模块，以及每个模块的作用域、大小、存放的数据类型等信息。

Java语言规定的内存模型是什么样子？

JVM规范给出了运行时的内存模型，应该包含的一些模块，以及每个模块的特性，如下图所示：

什么是GC？

通常所说的GC，可以叫做Garbage Collection 或者 Garbage Collector，GC既是表明一种内存管理机制，也可以看做是内存管理程序，这里不做详细区分。Java跟C++的很大的一个区别就是，内存自动管理机制。既然是内存自动管理，那么就涉及到内存的分配与回收问题。而且是自动的，所以在Java程序运行时，JVM中肯定还有一个负责做这件事的程序，这就是GC。GC主要工作在Heap上面。

GC有自己的责任，主要有下面几个职责：

分配内存 - 为新的对象分配请求寻找足够的内存空间。

回收垃圾内存 - 当内存满了，不能为新对象分配内存时、或者内存使用达到一定的百分比时，回收掉那些不再被使用的对象（垃圾对象）。

整理内存碎片 - 回收完成后，可能会有很多不连续的内存空间，叫做内存碎片。整理碎片，有助于下次更快的为新对象分配内存。

什么是内存垃圾？

Java是面向对象语言，正常都是操作对象，那么当一个对象用完后，不再需要使用的时候，它就变成了内存垃圾。在JVM中，主要是通过GC Roots来实现垃圾对象的识别。当一个对象，从任何的GC Roots开始，都不能访问到该对象时，该对象就是垃圾对象。

GC Roots的定义如下：

Class - 系统ClassLoader加载的class，这些类不能被卸载。他们可以通过static变量来持有对象。自定义的ClassLoader不是GC Roots。

Thread - 还存活的Thread。

JVM Stack - 本地变量或者方法的参数。

JNI Local - Native方法的本地变量或者参数。

JNI Global - 全局的JNI引用。

Held By JVM - 系统的ClassLoader、一小部分JVM知道的重要的Exception、一些为处理异常而预先分配的对象、正在loading class的自定义ClassLoader。

如何衡量一个GC的性能？

生产能力 - 应用程序运行的时间与总运行时间的比例。
GC运行的额外消耗 - GC程序运行的时间与总运行时间的比例。
暂停时间 - GC运行时，应用程序暂停的时间。
GC频率 - GC的执行频率
覆盖的区域大小 - GC工作的区域大小。
垃圾回收的及时性 - 一个对象成为垃圾对象到被回收的时间。

HotSpot是怎么实现GC策略的？

HotSpot采用了分代管理的方式。不同的内存区域的对象，存活的年龄不一样。

1、新生代（young generational）

大多数对象直接分配在新生代的Eden区域（一些大对象直接分配在老年代），Survivors 的 From 区域保存那些在至少一次新生代GC之后活下来，但是还不能被认为是“足够老”的对象，它们有更多死亡的机会。而这时 To 区域是空的。这两个区域交替变换身份（下一次GC，现在的 To 区域就变为 From 区域）。

2、老年代（old generational）

包含从新生代存活下来的对象，以及一些直接分配在老年代的大对象，

3、持久代（permanent generational）

包含那些JVM的 gc collector 方便管理的对象，比如类或者方法的描述对象，以及类和对象本身。Method Area 和 Run-Time Constant Pool。

有哪些GC类型？

1、minor collection（young generational collection）

触发条件：当新生代区域满的时候，会触发。

回收区域：只对新生代进行回收。

2、full collection（major collection）

触发条件：老年代或者持久代区域满的时候，会触发。

回收区域：三个区域都会被回收。

HotSpot中有哪些Garbage Collector？

1、Serial Collector

在Serial Collector中，不管是 新生代 还是 老年代/永久代，都是串行执行，使用一个CPU。当执行GC时，应用程序就会被暂停，不被执行。

young generational 的回收方式：

Eden区域存活的对象，被复制到Survivor中为空的To区域。如果有To区域容纳不下的大对象，则直接复制到old generational。

From区域中存活的相对年轻的对象，被复制到To区域中。存活的相对老的对象，被复制到old generational。

当To区域不够容纳存活对象时，这些存活对象直接被复制到old generational，不管它们经历了多少次young generational collection。

清空Eden和From，现在From变为了To，而To变为了From。

回收前：



回收后：

old generational（permanent generational） 的回收方式

Serial Collector 对 old generational区域实行Mark-Sweep-Compact的算法。该算法分为三个步骤，如下所示：

Mark - 标记出还存活的对象。

Sweep - 清理掉垃圾对象。

Compact - 执行移动压缩，把所有存活对象平移到开始趋区域。让尾部留出连续的空间，这样后面为对象可以快速分配空间。

回收前后：

2、parallel collector

young generational 的回收方式：

跟Serial collector的算法一样，只是利用了多核的优势，并行执行。蓝色为并行的应用程序，黄色为GC程序。

old generational （permanent generational）的回收方式：

跟Serial collector的算法一样，只是利用了多核的优势，并行执行。