基于JDK8的JVM内存模型详解与GC策略

JVM内存模型总览

首先看一下JVM内存模型图

• 程序计数器Program Counter Register
  程序计数器是一块较小的内存区，可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器，如果线程正在执行一个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NATIVE方法，这个计数器值为空(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的区域

  注：这里有问题是计数器值为空，程序怎么往下执行
  参考C++理解是：当线程中调用native方法的时候，则重新启动一个新的线程，那么新的线程的计数器为空则不会影响当前线程的计数器，相互独立。

• 虚拟机栈VM Stack
  描述的是JAVA方法执行的内存模型，每个方法在执行的时候都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法接口等信息
  局部变量表存储了编译期可知的各种基本数据类型(boolean, byte, char, short, int, float, double, long), 对象引用(reference类型和returnAddress类型(指向一条字节码指令的地址)
  线程请求的栈深度不够会报StackOverflowError异常
  栈动态扩展的容量不够会报OutOfMemoryError异常

• 本地方法栈Native Stack
  本地方法栈类似于虚拟机栈，只不过本地方法栈使用的是本地方法

• 堆Heap
  几乎所有的对象实例都在堆上分配内存,
  图示关于堆的结构
  

1. JAVA对象优先在Eden区分配，当Eden区没有足够的空间时触发一次Minor GC ，触发Minor GC时，Eden和from区中的存活对象会被复制到to区，然后from和to交换指针，以保证下次Minor GC时，to区还是空的，如果survival区无法容纳的对象将通过分配担保机制直接进入老年区
2. 分配担保机制可以通过HandlePromotionFailure配置，如果不允许的话，则直接发生FULL GC
3. 新生代(Young Generation)的最大大小将根据总堆的最大大小和NewRatio参数的值来计算。参数的“不受限制”默认值MaxNewSize意味着计算值不受限制，MaxNewSize除非MaxNewSize在命令行中指定了值
4. 一般情况下，不允许-XX:Newratio值小于1，即Old要比Young大
5. 大对象直接进入老年区的判断是根据PretenureSizeThreshold设置的阈值，所谓大对象时指需要大量连续内存空间的Java对象，最典型的大对象就是那种很长的字符串以及数组（笔者列出的例子中的byte[]数组就是典型的大对象）
6. 发生full GC的条件是：

（1）调用System.gc时，系统建议执行Full GC，但是不必然执行
（2）老年代空间不足
（3）方法去空间不足
（4）通过Minor GC后进入老年代的平均大小大于老年代的可用内存
（5）由Eden区、From Space区向To Space区复制时，对象大小大于To Space可用内存，则把该对象转存到老年代，且老年代的可用内存小于该对象大小

1. 对象存活判断

- 引用计数：每个对象有一个引用计数属性，新增一个引用时计数加1，引用释放时计数减1，计数为0时可以回收。此方法简单，无法解决对象相互循环引用的问题
- 可达性分析：从GC Roots开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链。当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证明此对象是不可用的，不可达对象

1. GC Roots对象包括

> 虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象
> 方法区中类静态属性引用的对象
> 方法区中常量引用的对象
> 本地方法栈中JNI(即一般说的Native方法)引用的对象
> 已启动且未停止的java线程

1. TLAB(Thread Local Allocation Buffer)，即线程本地分配缓存区，这是一个线程专用的内存分配区域，可以使用参数 -XX:+UseTLAB，默认开启，这个是用于解决多线程竞争堆内存分配问题，核心原理是每个线程可以向JAVA虚拟机申请一段连续的内存，作为线程私有的TLAB，这个操作需要加锁

• 方法区Method Area
  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Non-Heap的别名，用于存储已被虚拟机加载的类信息，常亮，静态变量， 即时编译器编译后的代码等数据

在JDK 8中，永久代被删除，类元数据在本机内存中分配。默认情况下，可用于类元数据的本机内存量是无限制的。使用该选项MaxMetaspaceSize可以为用于类元数据的本机内存量设置上限。

metaspace其实由两大部分组成

Klass Metaspace就是用来存klass的，klass是我们熟知的class文件在jvm里的运行时数据结构，不过有点要提的是我们看到的类似A.class其实是存在heap里的，是java.lang.Class的一个对象实例。这块内存是紧接着Heap的，和我们之前的perm一样，这块内存大小可通过-XX:CompressedClassSpaceSize参数来控制，这个参数前面提到了默认是1G，但是这块内存也可以没有，假如没有开启压缩指针就不会有这块内存，这种情况下klass都会存在NoKlass Metaspace里，另外如果我们把-Xmx设置大于32G的话，其实也是没有这块内存的，因为会这么大内存会关闭压缩指针开关。还有就是这块内存最多只会存在一块。

NoKlass Metaspace专门来存klass相关的其他的内容，比如method，constantPool等，这块内存是由多块内存组合起来的，所以可以认为是不连续的内存块组成的。这块内存是必须的，虽然叫做NoKlass Metaspace，但是也其实可以存klass的内容，上面已经提到了对应场景。

Klass Metaspace和NoKlass Mestaspace都是所有classloader共享的，所以类加载器们要分配内存，但是每个类加载器都有一个SpaceManager，来管理属于这个类加载的内存小块。如果Klass Metaspace用完了，那就会OOM了，不过一般情况下不会，NoKlass Mestaspace是由一块块内存慢慢组合起来的，在没有达到限制条件的情况下，会不断加长这条链，让它可以持续工作。

元空间的特点

- 充分利用了Java语言规范中的好处：类及相关的元数据的生命周期与类加载器的一致。
- 每个加载器有专门的存储空间
- 只进行线性分配
- 不会单独回收某个类
- 省掉了GC扫描及压缩的时间
- 元空间里的对象的位置是固定的
- 如果GC发现某个类加载器不再存活了，会把相关的空间整个回收掉

元空间的内存分配模型

- 绝大多数的类元数据的空间都从本地内存中分配
- 用来描述类元数据的类(klasses)也被删除了
- 分元数据分配了多个虚拟内存空间
- 给每个类加载器分配一个内存块的列表。块的大小取决于类加载器的类型; sun/反射/代理对应的类加载器的块会小一些
- 归还内存块，释放内存块列表
- 一旦元空间的数据被清空了，虚拟内存的空间会被回收掉
- 减少碎片的策略

• 运行时常量池Runtime Constant Pool
  运行时常量池时方法区中的一部分，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，并不是只有编译期才能产生常量，运行期间也有可能将新的常量放入常量池，因此也会有可能抛出OutOfMemoryError异常
  常见的有字符串常量池

参考：
[1] 深入理解Java虚拟机第二版

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