深入理解JVM之記憶體管理

1，方法區：存放類的資訊（名稱、修飾符等）、類中的靜態變數、類中final型常量、類中的Field資訊，類中的方法資訊。方法區是全域性共享的，在一定條件下也會被GC，當方法區要使用的記憶體超過其允許的大小時，會丟擲OutOfMemory。
JVM中這塊區域對應Permanet Generation，又稱為持久代。預設最小為16MB，最大為64MB，可透過-XX:PermSize及-XX:MaxPermSize來指定最小值和最大值
2，堆：存放物件例項及陣列值，大部分new建立的物件的記憶體都在此分配，這裡也是GC最頻繁的地方。32位系統最大為2G，64位則沒限制，大小可透過-Xmx和-Xms來指定，為了避免在執行時對heap的調整，通常將-Xmx和-Xms的值設成一樣。

為了讓記憶體回收更加高效，JDK1.2開始採用分代回收，不同的區域採用不同的回收演算法。
1，新生代：大多數new物件都在此分配記憶體，新生代由Eden、兩個存活區（survivor space）構成，可透過-Xmn來指定新生代的大小，還可以透過-XX:SurvivorRatio（在Parallel Scavenge中是透過-XX:InitialSurvivorRatio設定）來調整Eden、存活區的大小比例，預設是8:1
2，老年代：用於存放新生代中經過多次垃圾回收任然存活的物件，如快取的物件，新建的物件也有可能在老年代上直接分配，這種情況分兩種，一種是大物件，直接在老年代分配，可以透過-XX：PretenureSizeThreshold指定大小閾值，但此引數在新生代採用Parallel Scavenge GC時無效，Parallel Scavenge GC會根據執行狀況決定什麼物件直接在老年代分配；另一種在老年代直接分配的是大陣列，其陣列中無引用外部物件。老年代的大小為-Xmx減去-Xmn
3，本地方法棧：用於支援native方法的執行，儲存每個native方法呼叫的狀態，在Hotspot中本地方法棧和JVM方法棧是同一個。
4，PC暫存器和JVM方法棧：每個執行緒都會建立PC暫存器和JVM方法棧，PC暫存器佔用的可能是CPU暫存器或作業系統記憶體，JVM方法棧佔用作業系統記憶體，JVM方法棧為執行緒私有，其記憶體分配高效，當方法執行完畢時，其對應的棧幀所佔用的記憶體也會被自動釋放。當JVM方法棧空間不足時，會丟擲StackOverflowError，可以透過-Xss來指定方法棧的大小，如果不出現無窮遞迴，棧的深度不會太大，一般配置1M夠矣。

記憶體分配：
主要在堆上分配，堆為所有執行緒共享，因此在堆上分配記憶體時需要加鎖，這導致建立物件開銷比較大，當堆空間不足時，會觸發GC，如果GC後任然不足，則拋OutOfMemory。
為了提升記憶體分配效率，JVM會為新建立的執行緒在新生代的Eden上分配一塊獨立的空間，稱為TLAB（Thread Local Allocation Buffer），其大小由JVM根據執行情況計算而來，可透過-XX：TLABWasteTargetPrecentlaishezhi TLAB可佔用Eden的百分比，預設為1%。在TLAB上分配不需加鎖，因此效率高，JVM在給執行緒中的物件分配記憶體時會盡量在TLAB上分配，如果物件過大或TLAB空間用完，則在堆上分配。
除了在堆上分配及在TLAB上分配，還有一種基於逃逸分析直接在棧上分配的情況。

記憶體回收
收集器
1，引用計數收集器：採用計數器來判斷物件是否被引用，當計數器為0時，說明此物件已經不再被引用，可以被回收。引用計數對於迴圈引用的場景沒辦法回收，所以在Sun JDK實現GC時也未採用這種方式。
2，跟蹤收集器：全域性記錄資料的引用狀態，基於一定的條件觸發（定時、空間不足）執行時需要從根集合來掃描物件的引用關係。主要有複製、標記-清除、標記-壓縮三種實現演算法。
複製：從根集合掃描出存活的物件，並將它們複製到一塊新的空間。當回收區域存活物件較少時，複製演算法比較高效，其成本是開闢一塊空記憶體以及物件的移動。
標記-清除：從根集合掃描出存活的物件，並對它們進行標記，之後清空未標記的物件。標記-清除動作不需要物件移動，僅對不存活的物件處理，在空間中存活物件較多的情況下較為高效，但會產生記憶體碎片。
標記-壓縮：前面動作和標記-清除一樣，但是清除不存活的物件後，會將存活物件都往空閒的空間移動，並更新引用指標。成本相對較高，但避免了記憶體碎片。
根集合物件：當前執行緒棧上引用的物件、常量、靜態變數、傳到本地方法中，還沒有被本地方法釋放的物件。

JDK中的GC收集器：不同的區域採用不同的GC收集器

新生代可用GC：
新生代中的物件通常存活時間較短，因此採用複製演算法。上面提到，複製時將存活物件移動到一塊新的區域，這個區域就是新生代中的其中一個survior space。對新生代的回收又叫Minor GC。
1，序列GC（Serial GC）
當新生代不夠空間來建立物件時，就會觸發Minor GC。如果Minor GC僅從根集合物件中掃描存活物件，則當老年代中的物件引用了新生代的物件時會出問題，但老年代通常比較大，為了提高效能，也不可能每次Minor GC都會去掃描整個老年代，Sun JDK採用的是remember set方式來解決此問題。JVM在進行物件引用賦值時，會檢查賦值的物件是否在老年代，並檢查該物件是否有引用指向新生代，如果條件滿足，則在remember set做個標記。因此，對於Minor GC而言，完整的根集合為Sun JDK認為的根集合物件加上remember set中標記的物件。
為了避免在掃描過程中引用關係發生變化，採用暫停應用的方式，JDK在編譯程式碼時會為每段方法注入SafePoint，通常SafePoint位於方法中迴圈的結束點一級方法執行完畢的點。在暫停應用時需要等待所有的使用者執行緒進入SafePoint，然後將記憶體頁設定為不可讀狀態，從而實現暫停使用者執行緒的執行。
物件引用關係：除了預設的強引用，還有軟引用、弱引用、虛引用
A a = new A（），這就是強引用，這種物件只有主動釋放引用後才會被GC
軟引用，採用SoftReference來實現，這種物件會在JVM記憶體不足時被回收，因此軟引用很適合用於實現快取，另外當GC認為掃描到的軟引用物件不經常使用時，也會被回收。
弱引用：採用WeakReference來實現，這種物件在沒有強引用後，會被回收。

在Minor GC後存活的物件並不是直接進入老年代，只有經歷過幾次Minor GC後任然存貨的物件才會進入老年代。這個在Minor GC中存活的次數在序列、ParNew方式時可透過-XX：MaxTenuringThreshhold設定，在Parallel Scavenge則由hotspot根據執行狀況來句定。當存活區已滿，剩下的存活物件則直接進入老年代。
Serial GC在整個掃描、複製過程中均採用單執行緒，適用於單CPU、新生代空間較小、及對暫停時間要求

2，並行回收GC（Parallel Scavenge）
上面已經提過，在Parallel Scavenge中，Eden,survivor的比例透過-XX：InitialSurvivorRatio來配置，預設也為8，不過，在jdk6以後，也能透過-XX：SurvivorRatio來配置了。
在啟動時Eden，survivor的比例按照配置劃分，但是在執行一段時間以後，並行回收GC會根據Minor GC的頻率，消耗的時間來動態調整比例，可以透過-XX：-UseAdaptiveSizePolicy來固定比例
在PS GC中不是透過-XX：PretenureSizeThreshold來決定物件是否在老年代直接分配的，而是當分配記憶體時，如果Eden空間不夠，而且物件大小也大於等於Eden的一半，則直接在老年代分配。
PS GC也是採用複製演算法回收垃圾，但區別於Serial GC的地方在於，其掃描和複製時均採用多執行緒方式來進行，在多CPU機器上效率更高，適合對暫停時間要求較短的應用上。PS GC也是C2級別上預設採用的GC方式。

3，並行GC（ParNew）
ParNew在SurvivorRatio的方式上和序列GC一樣。ParNew與Ps GC的區別在於ParNew必須配合老年代使用CMS GC，因為CMS GC在對老年代回收時，有些過程是併發進行的，如此時發生Minor GC，需要進行相應的處理，而PS GC是沒有做這些處理的，也正是這個原因，ParNew不可與並行的老年代GC同時使用。
在配置老年代使用CMS GC的情況下，新生代預設採用ParNew
同樣，當Eden空間不足時，會觸發Minor GC

綜上：新生代各GC器的區別在於：
1，-XX：PretenureSizeThreshold，關於大物件在老年代分配，Serial是根據此值判斷，而Parallel Scavenge實在分配記憶體時判斷，如果Eden不夠，且物件大於Eden的一半，則直接在老年代分配
2，關於晉升老年代的條件，Serial、ParNew是設定-XX：MaxTenuringThreshhold，熬過了一定次數的GC則晉升老年代，如果survivor已滿，則直接晉升老年代。而Parallel Scavenge則是根據執行狀況來決定。
3，ParNew的特點是必須搭配老年代的CMS GC使用
綜上，主要區別還是與老年代有關

Minor GC的觸發方式
1，Eden上分配記憶體時空間不足，觸發Minor GC
2，System.gc顯示呼叫也可以觸發Minor GC

老年代、持久代可用GC
序列、並行、併發
主要講講併發CMS GC：其它幾種回收都是stop the world，造成應用暫停，所以提供了CMS GC，它的大部分動作都能與應用併發執行。CMS GC採用Mark-Sweep
CMS分4個步驟：
1，初始標記：stop the world，也是從根集合出發，掃描
2，併發標記：並行執行，標記上一步存活物件的引用的物件
3，再次標記：stop the world，因為上一步中可能會有新物件建立，或者物件引用改變，所以要對這些物件進行掃描
4，併發收集

CMS GC觸發方式有2種
1，如果老年代使用CMS，則可設定CMSInitiatingOccupancyFraction百分比，當老年代空間使用達到某個值時，觸發
2，還一種是JVM自動觸發，基於之前GC的頻率以及老年代的增長趨勢來決定

Full GC
除CMS GC之外，當老年代、持久代發生GC時，其實是對新生代、老年代、持久代都進行GC，因此又叫Full GC。
以下情況會觸發Full GC：
1，老年代空間不足（新生代晉升、直接老年代建立大物件），會觸發Full GC，若GC後空間還不夠，則拋OutOfMemory：java heap space
2，Permanent Generation空間滿，該區域存放class資訊，當空間滿，則觸發Full GC，如果GC後任然不夠，則拋OutOfMemory：PermGen space
3，CMS GC時出現promotion failed和concurrent mode failure。在執行Minor GC（對應ParNew）時，晉升老年代的物件過多；或者執行CMS GC時同時有物件要放入老年代，而老年代空間有不足，這兩種CMS情況會觸發Full GC
4，統計得到Minor GC晉升到老年代的平均大小大於老年代空間，在進行Minor GC時，如果之前統計得到Minor GC晉升到老年代的平均大小大於老年代剩餘空間，則觸發Full GC。