聲明：本文基于HotSpot JVM 1.7版本
本文垃圾回收器部分不具體介紹G1
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1.JVM規(guī)范規(guī)定的運行時數(shù)據(jù)區(qū)域

Java虛擬機規(guī)范將Java內(nèi)存劃分為程序計數(shù)器、Java虛擬機棧、本地方法棧、方法區(qū)镶骗、運行時常量池和直接內(nèi)存，下面我們就簡單介紹一下這些區(qū)域：

1.1 程序計數(shù)器

程序計數(shù)器（Program Counter Register）可以看作是當(dāng)前線程所執(zhí)行字節(jié)碼的行號指示器愉择，字節(jié)碼解釋器工作時就是通過這個計數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令匪凡，分支拔稳、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)锹雏、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個程序計數(shù)器來完成术奖。如果線程運行的是一個Java方法礁遵，它記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機字節(jié)碼指令的地址；如果運行的是一個Native方法采记，這個計數(shù)器的值則為空（Undefined）佣耐。

1.2 Java虛擬機棧

Java虛擬機棧（Java Vitual Machine Stacks）也是線程私有的，生命周期與線程相同唧龄。虛擬機棧描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個方法在執(zhí)行的同時會創(chuàng)建一個棧幀（Stack Frame）用于存儲局部變量表兼砖、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接既棺、方法出口等信息讽挟。虛擬機棧中的局部變量表存放了編譯器可知的各種基本數(shù)據(jù)類型（boolean、byte丸冕、char耽梅、short、int胖烛、float眼姐、long诅迷、double）、對象引用（可以是指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔樦谄欤部赡苁侵赶蛞粋€代表對象的句柄或其他與此對象相關(guān)的位置）和returnAdress類型（指向了一條字節(jié)碼指令的地址）罢杉。這部分區(qū)域規(guī)定了兩種異常狀況:如果線程請求的棧深度大于虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverFlowError異常贡歧；如果虛擬機椞沧猓可以動態(tài)擴展，如果無法申請到足夠的內(nèi)存艘款，就會拋出OutOfMemoeyError異常持际。

1.3 本地方法棧

本地方法棧（Native Method Stack）與虛擬機棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，他們之間的區(qū)別是虛擬機棧執(zhí)行Java方法（也就是字節(jié)碼）服務(wù)哗咆，而本地方法棧則為Native方法服務(wù)蜘欲。與虛擬機棧一樣本地方法棧可能拋出StackOverFlowError和OutOfMemoryError異常晌柬。

1.4 Java堆

Java堆是所有線程共享的一塊區(qū)域姥份，也是Java虛擬機所管理最大的一塊內(nèi)存區(qū)域。此內(nèi)存區(qū)域唯一的目的就是存放對象實例年碘，幾乎所有的對象澈歉、數(shù)組都在這里分配內(nèi)存，但隨著JIT編譯器的發(fā)展與逃逸分析技術(shù)逐漸成熟屿衅，棧上分配埃难、標(biāo)量替換優(yōu)化技術(shù)將會導(dǎo)致一些微妙的變化，所有對象都分配在堆上也漸漸變得不是那么絕對涤久。如果創(chuàng)建對象時無法申請到足夠的內(nèi)存就會拋出OutOfMemoryError異常涡尘。

1.5 方法區(qū)

方法區(qū)（Method Area）也是各個線程共享區(qū)域，它用來存儲已被虛擬機加載的類信息响迂、常量考抄、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)蔗彤。當(dāng)方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時川梅，將拋出OutOfMemoryError異常。

1.6 運行時常量池

運行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區(qū)的一部分然遏。Class文件中除了有類的版本贫途、字段、方法待侵、接口等描述信息外潮饱，還有一項信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放編譯器生成的各種字面量和符號引用诫给，這部分內(nèi)容會在類加載后進入方法區(qū)的運行時常量池中存放香拉。作為方法區(qū)的一部分啦扬，當(dāng)常量池?zé)o法申請到內(nèi)存時會拋出OutOfMemoryError異常。

1.7 直接內(nèi)存

直接內(nèi)存（Direct Memory）并不是虛擬機運行時數(shù)據(jù)區(qū)域的一部分凫碌，也不是java虛擬機規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域扑毡。在JDK1.4新加入的NIO（New Input/Output）類，引入了一種基于通道（Chnnel）與緩沖區(qū)（Buffer）的I/O方式盛险，他可以使用Native函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存瞄摊，然后通過一個存儲在Java堆中的DirectByteBuffer對象作為這塊內(nèi)存區(qū)域 的引用進行操作。這樣就避免了在Java堆和Native堆中來回復(fù)制數(shù)據(jù)苦掘。雖然直接內(nèi)存不受Java堆大小的限制换帜，但既然是內(nèi)存就會受到本機總內(nèi)存（包括RAM以及SWAP區(qū)或者分頁文件）大小以及處理器尋址空間的限制。

JVM內(nèi)存區(qū)域劃分.png

從線程的角度來說鹤啡，Java內(nèi)存可以分為兩類：
所有線程共享區(qū)域
　　方法區(qū)惯驼、運行時常量池、Java堆递瑰；這些區(qū)域是所有線程共享的祟牲；在Java虛擬機啟動時創(chuàng)建的，只有當(dāng)Java虛擬機退出時才會銷毀抖部。
　　
線程間隔離的數(shù)據(jù)區(qū)
　　程序計數(shù)器说贝、Java虛擬機棧、本地方法棧慎颗；這些數(shù)據(jù)區(qū)域是每個線程私有的乡恕，不與其他線程共享；每個線程的數(shù)據(jù)區(qū)隨線程創(chuàng)建而創(chuàng)建俯萎，并在線程退出時銷毀傲宜。

2.HotSpot 1.7對JVM規(guī)范中運行時數(shù)據(jù)區(qū)域的實現(xiàn)

2.1 Java虛擬機棧和本地方法棧

HotSpot將Java虛擬機棧和本地方法棧合二為一，統(tǒng)稱為棧內(nèi)存讯屈。
JVM棧內(nèi)存設(shè)置參數(shù)：

• -Xss 設(shè)置棧內(nèi)存大小

2.2 堆內(nèi)存和方法區(qū)

HotSpot1.7使用分代回收的思想，將堆內(nèi)存劃分為新生代和老年代县习，而方法區(qū)通過永久代實現(xiàn)涮母。

HotSpot 1.7分代劃分.png

JVM堆內(nèi)存相關(guān)的參數(shù)如下:

• -Xms 控制Java堆的初始化值
• -Xmx 堆的最大值
• -Xmn 控制年輕代的值
• -Xss 設(shè)置java線程棧的大小
• -XX:NewRatio 年輕代與老年代的比值
• -XX:SurvivorRatio Eden區(qū)與兩個Survivor區(qū)域的比值， 設(shè)置為8,則兩個Survivor區(qū)與一個Eden區(qū)的比值為2:8,一個Survivor區(qū)占整個年輕代的1/10

JVM永久代（方法區(qū)）內(nèi)存參數(shù)：

• -XX:PermSize 永久代的初始大小
• -XX:MaxPermSize 永久代的最大值

３.判斷對象是否有可以被回收

3.1 引用計數(shù)器算法

思路就是給對象添加一個引用計數(shù)器：當(dāng)對象被引用一次時躁愿，計數(shù)器值就增加1叛本；當(dāng)引用失效時，引用器的值就減1彤钟；任何引用計數(shù)器值為零的對象就是沒有被使用的對象来候。這種判斷對象是否被使用的方式實現(xiàn)簡單，但是存在一個問題：當(dāng)A逸雹、B兩個對象只是循環(huán)引用营搅，沒有其他任何引用云挟，這時候其實這兩個對象已經(jīng)不能被訪問到了，但是他們還是被對方所引用转质。所以Java沒有采用這種方式园欣，而是采用可達性分析算法。

3.2 可達性分析算法

這個算法以一系列的“GC Roots”對象作為起點休蟹，從這些起點開始向下搜索沸枯，搜索所走過的路徑稱為引用鏈（Reference Chain）,當(dāng)一個對象從引用鏈不可達時，證明此對象是不可用的赂弓。

可達性分析.png

４.垃圾回收算法

4.1 標(biāo)記-清理算法（Mark-Sweep）

標(biāo)記清理算法分為兩步--“標(biāo)記”和“清理”:首先標(biāo)記出所有需要回收的對象按脚，在標(biāo)記完成后統(tǒng)一回收所有標(biāo)記的對象于毙。這種算法有兩個明顯的不足：一個是效率問題，標(biāo)記和清理兩個過程的效率都不高辅搬；另一個是空間問題唯沮，標(biāo)記清除后會產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片，內(nèi)存碎片太多可能會導(dǎo)致后續(xù)分配大對象時堪遂，無法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存介蛉，而不得提前觸發(fā)另一次垃圾回收動作。

標(biāo)記清除算法.png

4.2 復(fù)制算法

復(fù)制算法的思路就是溶褪，將內(nèi)存劃分為兩塊币旧，每次只是用其中的一塊。當(dāng)其中的一塊內(nèi)存用完了猿妈，就將還存活的對象復(fù)制到另一塊上面吹菱，然后再把已使用過的內(nèi)存空間一次清理掉。這樣每次清理只需要移動堆頂指針彭则，按順序分配即可鳍刷，運行效率高，且不會產(chǎn)生內(nèi)存碎片俯抖。但是他的代價是將內(nèi)存縮小為原來的一半输瓜。。。

復(fù)制算法.png

實際上在真正垃圾回收器實現(xiàn)時尤揣，沒有必要將內(nèi)存劃分為等量的兩塊搔啊。例如，HotSpot就是將新生代劃分為Eden區(qū)和兩個Survivor區(qū)（From 和To區(qū)）芹缔，默認比例為8:1:1坯癣，創(chuàng)建新對象是在Eden區(qū)域分配內(nèi)存，每次垃圾回收時最欠，將Eden區(qū)和From區(qū)中存活的對象復(fù)制到To區(qū)示罗，然后將Eden和From區(qū)清空，下一次垃圾回收時同上操作芝硬。這樣只浪費了1/10的新生代區(qū)域蚜点。

4.3 標(biāo)記-整理算法

復(fù)制算法在對象存活率高時就要進行較多的復(fù)制操作，效率就會大打折扣拌阴，對于對象存活的老年區(qū)就不太適用了绍绘，所以標(biāo)記整理算法就應(yīng)運而生了。標(biāo)記整理算法的“標(biāo)記過程”和“標(biāo)記清除”的一樣迟赃，但后續(xù)的整理階段是將存活的對象移動到一端陪拘，然后清理掉端邊界以外的內(nèi)存。

標(biāo)記整理算法.png

5.垃圾回收器

5.1 Serial收集器

Serial是一個單線程新生代的收集器纤壁，它在進行垃圾回收時會暫停其他所有的工作線程（Stop The World）左刽，直到它收集結(jié)束。這是一個古老的垃圾收集器酌媒，一般不會用在企業(yè)級應(yīng)用中欠痴，但對于一些內(nèi)存區(qū)域很小的桌面程序，倒是可以采用這種垃圾回收器秒咨±桑可以使用參數(shù)-XX：+UseSerialGC使用Serial收集器。

5.2 ParNew收集器

ParNew收集器其實就是Serial的多線程版雨席，采用多線程的方式回收垃圾菩咨，同樣回收過程中，也需要暫停其他所有用戶線程陡厘〕槊祝可以使用JVM參數(shù)-XX:UsePartNewGC指定新生代使用ParNew收集器。

5.3 Parallel Scavenge收集器

新生代垃圾回收器雏亚，采用復(fù)制算法缨硝，是一個吞吐量（運行用戶代碼的時間摩钙、（運行用戶代碼的時間+垃圾回收的時間））優(yōu)先的并行垃圾回收器罢低。他提供了控制最大垃圾收集時間的參數(shù)-XX:MaxGCOauseMillis和直接設(shè)置吞吐量的參數(shù)-XX:GCTimeRatio,其中-XX:MaxGCOauseMillis是以毫秒為單位的正數(shù)，-XX:GCTimeRatio是大于0小于100的整數(shù)。
Parallel Scavenge收集器還有一個參數(shù)-XX:+UseAdaptiveSizePolicy,它是一個開關(guān)网持，當(dāng)它打開后就不需要手動設(shè)置新生代的大幸说骸（-Xmn）、Eden與Survicor區(qū)的比例（-XX:Survivor）功舀、晉升老年代對象年齡（-XX:PretenureSizeThreshold）等詳細參數(shù)了萍倡，虛擬機會根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的運行情況、收集性能監(jiān)控信息辟汰，動態(tài)調(diào)整這些參數(shù)列敲，以提供最合適的停頓時間或者最大吞吐量，這種調(diào)節(jié)方式成為GC自適應(yīng)策略（GC Ergonomics）帖汞。
可以使用參數(shù)-XX:+UseParallelGC指定新生代使用Parallel Scavenge收集器戴而。

5.4 Serial Old收集器

Serial Old收集器是Serial的老年代版本，通同樣使用一個線程進行垃圾回收翩蘸，采用“標(biāo)記整理”算法所意。這種垃圾收集器主要給Client模式下的虛擬機使用。但是Server模式下也有兩種使用場景：JDK1.5及以前的版本中與Parallel Scavenge收集器搭配使用催首，另一個場景是作為CMS收集器后備方案扶踊，在并發(fā)收集發(fā)生Concurrent Mode Failure時使用±扇危可以使用參數(shù)-XX:+UseSerialGC指定老年代使用Serial old收集器秧耗。

5.5 Parallel Old收集器

Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年版本，使用多線程和“標(biāo)記-整理”算法涝滴。這個收集器的出現(xiàn)很大程度上解決了新生代的Parallel Scavenge收集器的尷尬地位绣版。原因是在JDK1.6以前，新生代采用Parallel Scavenge收集器歼疮，老年代的收集器只能采用Serial Old收集器杂抽，這樣的組合很大程度上還不如ParNew加CMS給力。但是1.6出現(xiàn)的Parallel Old收集器和新生代的Parallel Scavenge收集器是一個吞吐量優(yōu)先的最佳搭檔韩脏。使用參數(shù)-XX:+UseParallelGC指定老年代使用Parallel Old收集器缩麸。

5.6 CMS收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一種以獲取最短回收停頓時間為目標(biāo)的老年代垃圾收集器。從名字（包括“Mark Sweep”）上就可以看出赡矢，CMS收集器是基于“標(biāo)記-清除”算法實現(xiàn)的杭朱，它的運作過程分為4個步驟：

1. 初始標(biāo)記（CMS initial mark）
2. 并發(fā)標(biāo)記（CMS concurrent mark）
3. 重新標(biāo)記（CMS remark）
4. 并發(fā)清除（CMS concurrent sweep）
   其中，初始標(biāo)記吹散、重新標(biāo)記這兩個步驟仍需要“Stop The World”弧械，可以使用參數(shù)-XX:+UseConcMarkSweepGC指定老年代使用CMS回收器。CMS還有一個重要的參數(shù)-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction,它是0-100的數(shù)空民，是觸發(fā)CMS回收老年代的閾值刃唐，即：當(dāng)老年代使用率大于改參數(shù)指定值時候羞迷，就會使用CMS回收器對老年代的垃圾進行回收。

６.JVM參數(shù)

HotSpot JVM選項分為三類：

6.1 標(biāo)準(zhǔn)選項

這類選項的功能很穩(wěn)定画饥，在后續(xù)的版本中也不太會發(fā)生變化衔瓮。運行java -help可以看到所有的標(biāo)準(zhǔn)選項。標(biāo)準(zhǔn)選項都是以-開頭的抖甘，比如-version热鞍，-server等。

6.2 X選項

比如-Xms衔彻。這類選項都是以-X開頭的薇宠，也被稱為X選項。運行java -X命令可以查看所有的X選項艰额。

6.3 XX選項

這類選項屬于實驗性的昼接，主要是給JVM開發(fā)者用于開發(fā)和調(diào)試JVM的，在后續(xù)的行為中可能會發(fā)生改變悴晰。XX選項的語法

• 如果是布爾類型的選項慢睡，它的格式為-XX:+flag或者-XX:-flag，分別表示開啟和關(guān)閉該選項铡溪。
• 針對非布爾類型選項漂辐，它的格式為-XX:flag=value。

對于HotSpot建議將最大堆和最小堆設(shè)置為相同值

• -Xms 控制Java堆的初始化值
• -Xmx 堆的最大值
• -Xmn 控制年輕代的值
• -Xss 設(shè)置java線程棧的大小
• -XX:PermSize 永久代的初始大小
• -XX:MaxPermSize 永久代的最大值
• -XX:NewRatio 年輕代與老年代的比值
• -XX:SurvivorRatio Eden區(qū)與兩個Survivor區(qū)域的比值棕硫， 設(shè)置為8,則兩個Survivor區(qū)與一個Eden區(qū)的比值為2:8,一個Survivor區(qū)占整個年輕代的1/10
• -XX:+PrintGCDetails 打印GC詳情

更多JVM參數(shù)請參閱：JVM參數(shù)設(shè)置與分析

7.參考文獻

Java中的垃圾回收機制
內(nèi)存區(qū)域 JVM運行時數(shù)據(jù)區(qū)
雜談GC
JVM系列三:JVM參數(shù)設(shè)置髓涯、分析
JVM 垃圾回收器工作原理及使用實例介紹