JVM内存模型及垃圾回收的研究总结

Java内存模型

总的来说就分为两个区域，堆内存（Heap）和非堆内存（No-Heap），非堆内存又称为永久代（Permanent），“永久”其实有点儿容易使人误导，好像这部分内容不需要回收。但在永久区中的某些数据也是需要回收的！

在新的JDK8中，这部分的名称已经不叫Permanent了，改成更好理解的Metaspace了。这部分是用来存储JVM工作的相关数据的，比如Load下来的class定义、静态变量、用于调度的方法和线程栈。

分为两个区其实是为了更便于理解，No-Heap区只是非Heap的意思，其中的Stack、Method Area其实是和Heap同级的。

在GC日志中，你会发现PSPermGen也在其中：

[GC-- [PSYoungGen: 569856K->569856K(617472K)] 773089K->928306K(976896K), 0.3285123 secs] [Times: user=0.66 sys=0.08, real=0.33 secs]
[Full GC [PSYoungGen: 569856K->0K(617472K)] [ParOldGen: 358450K->359349K(499712K)] 928306K->359349K(1117184K) [PSPermGen: 64652K->64650K(131072K)], 1.4693823 secs] [Times: user=4.09 sys=0.02, real=1.47 secs]
[Full GC [PSYoungGen: 569856K->0K(617472K)] [ParOldGen: 359349K->488638K(672768K)] 929205K->488638K(1290240K) [PSPermGen: 65041K->65041K(131072K)], 2.4092196 secs] [Times: user=6.75 sys=0.11, real=2.41 secs] 

意思是No-Heap（永久代）也需要垃圾回收！

因为在永久代中还存储着ClassLoader、Class的元信息（Metadata）、指向Heap区域对象的指针以及字符串池（Internal String）。这些数据其实也需要垃圾回收。

这样看来，把内存区域划分为年轻代（Young Gen）、老年代（Old Gen）和永久代（Permanent Gen）其实是有道理的，虽然老年代的数据不会提升到永久代中。但是这三个区域的数据都是需要垃圾回收的。

Heap（堆内存）

堆内存是垃圾回收器工作的地方，堆内存又分为Eden和两个大小一样的Survivor区，即From和To。

最开始的对象都会存储在Eden中(如果有些大对象无法存入到年轻代，则会直接存入老年代)，然后经过Minor GC之后会被提升到Survivor区，然后再提升到老年代。

Stack（栈内存）

Thread Stack 用来存放栈信息，每个线程栈信息里各自有自己的方法栈（包括本地方法栈），在方法栈的每一帧里存储着方法调用的相关信息，比如参数值、局部变量、返回值等。

Program Counter：记录着当前语句执行到哪儿了。

下图中，其实Stack可以归并到No-Heap中。

垃圾回关注的指标

吞吐量

定义：用户代码执行时间  / ( 用户代码执行时间 + 垃圾回收时间）

越高越好，越高表示执行垃圾回收时间越少。

暂停时间

回收时可能需要暂停用户线程，暂停时间越短越好。

执行频率

单位时间垃圾回收执行的次数。

堆内存大小

比如G1回收器就要去比较大的Heap内存。

敏感度（Promptness）

对象变成垃圾到被回收的时间，时间越短表示回收器越敏感。

垃圾回收类型

串行搜集器（Serial）

年轻代（Young Gen）回收

老年代（Old Gen）回收

来年代的回收很简单，步骤是“标记-清除-压缩”：

串行回收器的使用场景

一般引用于不要求“低暂停”的client模式。这里参考server和client的区别。j2se5的client模式下默认使用串行回收器进行垃圾回收。

使用串行回收器的参数：-XX:+UseSerialGC

并行回收器（Paraller）

并行回收器可以利用多个CPU进行并行的垃圾回收。（在多个CPU场景下，使用Serial回收器时，其实只有一个CPU在工作，其他CPU相当于闲置状态）

并行回收器在年轻地啊和老年代进行垃圾回收的操作是一样的，都是标记、转移、压缩，只是它启用了多个CPU并发执行。串行和并行都需要stop-the-world。

并行回收器的使用场景

应用于多CPU场景下，但是没有太大的暂停时间要求，因为还是有可能会发生长时间的老年代垃圾回收。

适用于批处理、账单、财务、科学计算等场景。

j2se5的server模式下默认使用该回收器。

使用并行回收器的参数：-XX:+UseParallelGC

ParNew

这是一个加强版的Parallel回收器。它可以与下面提到的CMS回收器进行配合。

并行压缩回收器（Parallel Compacting）

年轻代使用并行回收器一样的算法(多CPU并行回收)。（stop-the-world）

-XX:+UseParallelOldGC.

对于老年代，回收过程分为三个阶段

并行标记（Marking）

标记出每个区域的活动数据。标记动作其实是和用户线程一起跑的。

计算总结（Summary）

计算各个区域的稠密程度，得出移动数据的方案。（稀疏的往稠密位置移动，压缩速度肯定比相反方向要快）

压缩（Compaction）

把数据移动到一端，保证另外一端空白。

并行压缩回收器的使用场景

多CPU，它相对于并行回收器感觉没有什么区别（谁知道吗？？？），因为在官方文档中是这样说的：

使用该回收器的参数：-XX:-UseParallelOldGC

并发标记清理回收器（Concurrent Mark-Sweep （CMS））

低延迟的回收器。

一般而言，年轻代的回收不会有太大的暂停。而老年代的回收不会经常执行，所以老年代的回收暂停时间长一点儿也没事。CMS的回收步骤如下：

年轻代还是使用并发回收器（Parallel）。

对于老年代：

初始标记（init mark）：单线程stop-the-world执行，短暂停，确定出直接和程序关联的活动对象集合。

并发标记（concurrent marking）：根据上一步标记出来的集合，并发找出与集合中元素关联的其他活动对象。这一步的执行是和用户线程并发执行的。

重新标记（remark）：由于用户线程也在运行，所以上一步标记出来的对象还有可能又参数了垃圾，所以这里再次stop-the-world，重新找出活动数据。这一步对现场并发执行。很容易理解，这里的stop-the-world也是非常短的。

清理（sweep）：根据上一步标记结果，清理内存。

从CMS的执行步骤可以看出，它的核心思想其实就是把事情分成多个步骤来做，不要一次把事情做完，且尽量和用户线程一起执行，从而实现对用户线程的低延迟。

CMS回收器使用场景

任何需要低延迟的应用。甚至在单CPU上都运行良好。

使用CMS回收器参数：-XX:+UseConcMarkSweepGC

G1(Gargage First)回收器

G1回收器是用于server模式下，多处理器、大内存的环境。其目标是高吞吐量、高可用性。在JDK7 update4以后的版本中都支持。长期计划中G1是用来代替CMS回收器的。

G1不像其他回收器那样，把内存明确地划分为三个固定大小的区域。而是把heap看成一个整体。

更多细节详见参考连接。

垃圾收集器参数总结

收集器设置：

-XX:+UseSerialGC:年轻串行（Serial），老年串行（Serial Old）

-XX:+UseParNewGC:年轻并行（ParNew），老年串行（Serial Old）

-XX:+UseConcMarkSweepGC:年轻并行（ParNew），老年串行（CMS），备份（Serial Old）

-XX:+UseParallelGC:年轻并行吞吐（Parallel Scavenge），老年串行（Serial Old）

-XX:+UseParalledlOldGC:年轻并行吞吐（Parallel Scavenge），老年并行吞吐（Parallel Old）

收集器参数：

-XX:ParallelGCThreads=n:设置并行收集器收集时使用的CPU数。并行收集线程数。

-XX:MaxGCPauseMillis=n:设置并行收集最大暂停时间

-XX:GCTimeRatio=n:设置垃圾回收时间占程序运行时间的百分比。公式为1/(1+n)

-XX:+CMSIncrementalMode:设置为增量模式。适用于单CPU情况。

-XX:ParallelGCThreads=n:设置并发收集器年轻代收集方式为并行收集时，使用的CPU数。并行收集线程数。

个人学习总结，难免有误，欢迎指正讨论！

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参考：

Java堆内存：http://www.blogjava.net/fancydeepin/archive/2013/09/29/jvm_heep.html

Memory Management in the Java HotSpot™ Virtual Machine：http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/tech/memorymanagement-whitepaper-1-150020.pdf

JVM内部结构：http://blog.jamesdbloom.com/JVMInternals.html

JVM参数：http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/tech/vmoptions-jsp-140102.html，http://www.cnblogs.com/redcreen/archive/2011/05/04/2037057.html

官网GC日志介绍：http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/gc-tuning-6-140523.html

G1回收器：http://www.oracle.com/technetwork/tutorials/tutorials-1876574.html