JVM内存区域

了解Java GC之前，必须先搞清楚JVM中内存区域的划分。

JVM内存区域图

JVM中内存区域大致可分为如上图所示几大区域。其中：

堆区

JVM只有一个堆，堆区是JVM内存管理中最大的一块，也是GC主要工作区域，是线程共享的。堆区的主要作用是存储对象实例，一般来说，所有的对象都在堆上分配内存。

方法区

JVM方法区又称静态区，存放所有的class和静态变量、final常量。在HotSpot虚拟机中也被称为永生代，线程共享。

虚拟机栈

线程的每个方法在执行的同时都会创建一个栈桢，栈桢中存储的有局部变量表，操作站，动态链接，方法出口灯，当方法被调用时，栈桢在JVM栈中入栈，当方法执行结束的时候，栈桢出栈。
局部变量表中存储着方法的相关局部变量，包括各种基本数据类型，对象的引用，返回的地址等，在局部变量表中在编译是就已经确定好的，方法在运行时所需要分配的空间在栈桢中完全确定的，在方法生命周期内都不会改变。
虚拟机栈中会出现2种异常：StatckOverFlowError 和 OutOfMemoryError；当线程调用的栈深度大于虚拟机允许的最大深度，则抛出StatckOverFlowError，如无限递归，就容易出现这个问题。线程不断的申请内存空间，直至内存不足，会抛出OutOfMemoryError异常，如无限循环申请内存空间就会导致OOM异常。

本地方法栈

本地方法栈的作用和虚拟机栈很多方面都相同，唯一的区别是：虚拟机栈是执行Java方法的，而本地方法栈是执行native方法的。线程私有。
Java对一些底层操作系统或者某些硬件交换信息时，如何用Java来实现在效率上非常低，对于这类方法通常是使用其他语言实现，如C或者C++，我们可以使用System.loadLibrary()来调用Dll。

程序计数器

程序计数器记录着正在执行的虚拟机字节码指令地址，如果执行的本地方法，则程序计数器为Undefined，因为只保存当前指令的地址，所以不会存在内存溢出的问题，也是唯一一个没有定义OOM的区域。

JAVA GC 算法

　Java GC（垃圾回收)机制是一种和垃圾回收的自动内存管理机制。GC机制对JVM中的内存进行标记，并确定哪些内存需要回收，根据一定的回收策略，自动的回收内存，保证JVM中的内存空间，防止出现内存泄露和溢出问题。

GC的评价标准

• 吞吐量
• 最大暂停时间（stop the world）
• 堆使用效率
• 访问的局部性

GC算法

在JAVA中GC算法主要分为3种，GC标记-清除算法、引用计数算法、GC复制算法，其他的GC算法多数都是以上GC算法的组合和应用。

GC标记-清除算法

标记阶段：递归标记堆中指针数组能够访问的对象，将每个活动对象打上mark。
清除阶段：遍历堆将没有标记的对象，将其回收(将其连接到空闲链表上)。
再分配阶段：遍历空闲链表，寻找大于或等于待分配的size的分块。大小相等直接返回，大于则分割，剩余返回空闲链表
合并阶段：将连续空闲分块合并。

优点：实现简单，对象不移动，可与保守式GC算法兼容；缺点：碎片化过于严重，分配的时候需要遍历空闲链表，效率低下，与写时复制不兼容。

算法改进：

• 引入多个空闲链表，每个链表拥有固定分块，一般来说设定2、3、4、5..100字，以及大于等于101字，拱100个空闲链表，如果出现需要分配大于100字的size，将再第100个链表中查找匹配返回。分配时不再需要遍历链表，缓解分配效率低下的问题。
• BIBOP法：将大小相近的对象整理成固定大小的块进行管理。将堆分割成固定大小的块，让每个块只能配置同样大小的对象。优点减少碎片化，缺点堆使用效率不够高。
• 位图标记，引入二进制位图表格进行标记对象，解决写时复制的不兼容的问题。清除阶段不再需要遍历堆。

引用计数法
引入计数器，用增减计数器的值来进行内存管理。在分配内存空间时，将对象的计数器+1. 在更新指针的过程中，增加新应用对象的ref_cnt，减少指针原先对象的ref_cnt计数。如果ref_cnt为0，则为垃圾，将被立即回收。

优点：引用计数，可以及时回收垃圾，最大暂停时间短，减少指针查找的次数。缺点：增减操作频繁开销大；计数器保证位宽，需要占用空间，堆的使用效率低；循环引用无法回收。

算法改进：

• 延迟引用计数法，使用ZCT(zero count Table)记录计数为0的对象，然后进行统一回收。通过延迟引用计数法，延迟了根引用的计数，减轻了根引用发生变化带来计数器频繁增减的开销，但丧失了垃圾可以立即回收的优点。

• sticky引用计数法，减少计数器的位宽，会引入新的问题，计数器溢出爆表。对于计数器爆表可以选择啥都不做，也可以使用标记-清除算法清除垃圾，这样可以回收循环引用，但是吞吐量会减少。

• 1位引用计数法，计数器只有1位，0表示被引用数为1，1表示被引用数大于等于2。通过指针复制的方式更新指针。优点:不需要再更新计数器的时候去读取对象，效率高；无需为计数器留足空间，节省内存消耗。缺点是还会存在计数器爆表。
• 部分标记-清除算法，将对象涂成4中颜色来管理内存，黑（绝对不是垃圾），灰（搜索完毕的对象），白（绝对是垃圾），阴影（可能是循环垃圾）。mutator删除根到对象的引用，会将对象的计数减1，并将其涂成阴影并将指针追加至阴影队列中。在new_obj的过程中，如果发生无法分配区块，将调用scan_hatch_queue() 找出被涂成阴影的对象，依次执行paint_gray、scan_gray、collect_white。缺点：需要多次查找对象，效率低下。优点:解决了循环对象不可回收的问题。
  • paint_gray：将对象涂成灰色，对子对象进行减量操作。
  • scan_gray: 对于ref_cnt大于0的对象涂黑，等于0 的对象及其子对象涂白。
  • collect_white: 回收白色对象.

GC复制算法
将堆空间等分成大小相同的两份，执行GC时候，将from空间的活动对象复制至to空间，复制完成后，回收from空间。复制的时候先将原有对象打上copy标签，指向新空间的对象存放在obj.forwarding中。

优点：吞吐量高，可实现高速分配，不会发生碎片化，与缓存兼容。
缺点：堆使用效率低下；对象移动了，不兼容保守式GC算法，递归调用复制子对象，每次复制都要调用函数。

算法改进：

• Cheney的GC复制算法，采用迭代进行复制的算法，广度优先搜索。优点：抑制递归调用函数额外的开销和栈的消耗；缺点：无法兼容缓存。
• 近似深度优先的搜索算法，原理是将有引用关系的对象集中在一页中，再每个页中执行广度优先搜索。优点：可以兼容缓存。
• 多空间复制，2个空间执行GC复制，其他空间执行GC标记-清除算法。优点：堆空间使用效率得到提高；缺点:引入GC标记-清除算法，带来的问题：分配耗时，碎片化。

分代GC算法
原理：分代GC中将对象分成几代。针对不同的代是用不同的GC算法。刚生成的对象叫新生代对象，经过一定次数GC的对象成为老年代GC。新生代分为eden区，from区，to区，多采用复制算法。老生代多采用标记清除、标记压缩/整理算法。

优点：吞吐量得到优化。

增量式GC算法

增量GC名称的由来跟全量GC相对，就是每次只处理一小部分的对象。把GC堆切分为很多小块（叫做chunk或者region），然后每次GC增量式对一部分小块做回收（而不必对整个GC堆做回收），这样就把一次大收集拆分成了多次小的增量式收集，减小了每次收集的工作量——也就减小了GC暂停时间。hotspot JVM 用 train GC作为增量式GC的实现，但后面被废弃了。目前G1垃圾收集器，采用的是增量式GC的算法。

HotSpot JVM GC 机制

HotSpot JVM 大致可分为：年轻代（Young Generation）、年老代（Old Generation）、永久代（Permanent Generation，也就是方法区）。我们创建的对象在其生命周期基本上活动在这几块区域中。

年轻代（Young Generation）

年轻代又可以细分为：Eden区、Survivor 区（From区、To区）默认比例：Eden：from：To = 8:1:1。当我们创建一个对象时，JVM首先将对象分配在eden区，其中大部分对象在该区域死亡，成为垃圾对象。当Eden区内存空间不足，年轻代将执行Young GC回收垃圾对象，在此阶段，年轻代利用Survivor 区GC复制算法来收集垃圾。经过几次Young GC 仍然存活的对象，将根据相关策略晋升至年老代。

年老代（Old Generation）

对象如果在年轻代存活了足够长的时间而没有被清理掉（即在几次Young GC后存活了下来），则会被复制到年老代，年老代的空间一般比年轻代大，能存放更多的对象，在年老代上发生的GC次数也比年轻代少。当年老代内存不足时，将执行 Full GC。如果对象比较大（比如长字符串或大数组），Young空间不足，则大对象会直接分配到老年代上（大对象可能触发提前GC，应少用，更应避免使用短命的大对象）。　

显然HotSpot JVM 的GC机制的基本算法是：分代收集算法。在年轻代中的Young GC使用的GC复制算法；在年老代中，将使用标记-清除算法、标记-压缩算法；对于方法区（永生代）中，常量池中的常量，无用的类信息，没有引用了就可以被回收，但回收不是必须的。

垃圾收集器

在年轻代执行GC的时候，所有的线程都将会暂停工作（stop the world）,尽管各种GC收集器都在不断优化减少暂停时间，但目前为止GC的暂停时间还是存在的。

Serial收集器：新生代收集器，串行收集器。使用复制算法，使用一个线程进行GC，其它工作线程暂停。使用-XX:+UseSerialGC可以使用Serial+Serial Old模式运行进行内存回收（这也是虚拟机在Client模式下运行的默认值）。GC触发机制：之前Young GC晋级到年老代的平均大小 < 年老代的剩余空间 < eden+from Survivor的使用空间。当HandlePromotionFailure为true，则仅触发Young gc；如为false，则触发Full GC。

ParNew收集器：新生代收集器，并行收集器。使用复制算法，Serial收集器的多线程版，用多个线程进行GC，其它工作线程暂停，关注缩短垃圾收集时间。使用-XX:+UseParNewGC开关来控制使用ParNew+Serial Old收集器组合收集内存；使用-XX:ParallelGCThreads来设置执行内存回收的线程数。

Parallel Scavenge 收集器：新生代收集器。使用-XX:+UseParallelGC开关控制使用Parallel Scavenge+Serial Old收集器组合回收垃圾（这也是在Server模式下的默认值）；使用-XX:GCTimeRatio来设置用户执行时间占总时间的比例，默认99，即1%的时间用来进行垃圾回收。使用-XX:MaxGCPauseMillis设置GC的最大停顿时间（这个参数只对Parallel Scavenge有效），可以利用这2个参数精确控制吞吐量。用开关参数-XX:+UseAdaptiveSizePolicy可以进行动态控制，如自动调整Eden/Survivor比例，老年代对象年龄，新生代大小等。GC触发机制：在回收前PS GC会先检测之前每次PS GC时，晋升到老生代的平均大小是否大于老生代的剩余空间，如大于则直接触发full GC；

Serial Old收集器：老年代收集器，串行收集器，使用标记整理（整理的方法是Sweep（清理）和Compact（压缩），清理是将废弃的对象干掉，只留幸存的对象，压缩是将移动对象，将空间填满保证内存分为2块，一块全是对象，一块空闲）算法，使用单线程进行GC，其它工作线程暂停（注意，在老年代中进行标记整理算法清理，也需要暂停其它线程），在JDK1.5之前，Serial Old收集器与ParallelScavenge搭配使用。触发机制：old gen空间不足；perm gen空间不足；Young GC时的悲观策略；Young GC后在eden上分配内存仍然失败；

Parallel Old收集器：老年代收集器，并行收集器，多线程机制与Parallel Scavenge差不错，使用标记整理（与Serial Old不同，这里的整理是Summary（汇总）和Compact（压缩），汇总的意思就是将幸存的对象复制到预先准备好的区域，而不是像Sweep（清理）那样清理废弃的对象）算法，在Parallel Old执行时，仍然需要暂停其它线程。Parallel Old在多核计算中很有用。Parallel Old出现后（JDK 1.6），与Parallel Scavenge配合有很好的效果，充分体现Parallel Scavenge收集器吞吐量优先的效果。使用-XX:+UseParallelOldGC开关控制使用Parallel Scavenge +Parallel Old组合收集器进行收集。

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器：老年代收集器，并发收集器，致力于获取最短回收停顿时间（即缩短垃圾回收的时间），使用标记清除算法，多线程，优点是并发收集（用户线程可以和GC线程同时工作），停顿小。使用-XX:+UseConcMarkSweepGC进行ParNew+CMS+Serial Old进行内存回收，优先使用ParNew+CMS，当用户线程内存不足时，采用备用方案Serial Old收集。触发机制： 当老生代空间的使用到达一定比率时触发；当perm gen采用CMS收集且空间使用到一定比率时触发；Hotspot根据成本计算决定是否需要执行CMS GC；可通过-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly来去掉这个动态执行的策略。

Yong GC 悲观策略：
1、在YGC执行前，min(目前新生代已使用的大小,之前平均晋升到old的大小中的较小值) > 旧生代剩余空间大小 ? 不执行YGC，直接执行Full GC : 执行YGC；
2、在YGC执行后，平均晋升到old的大小 > 旧生代剩余空间大小 ? 触发Full GC ： 什么都不做。

GC监控

命令行工具：jmap，jstat，jstack。
GUI工具：jconsole，jvisualvm

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