基於JDK8的JVM記憶體模型詳解與GC策略
JVM記憶體模型總覽
首先看一下JVM記憶體模型圖
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程式計數器Program Counter Register 程式計數器是一塊較小的記憶體區，可以看做是當前執行緒所執行的位元組碼的行號指示器，如果執行緒正在執行一個JAVA方法，這個計數器記錄的是正在執行的虛擬機器位元組碼指令的地址，如果正在執行的是NATIVE方法，這個計數器值為空(Undefined)，此記憶體區域是唯一一個在JAVA虛擬機器規範中沒有規定任何OutOfMemoryError的區域
注：這裡有問題是計數器值為空，程式怎麼往下執行 參考C++理解是：當執行緒中呼叫native方法的時候，則重新啟動一個新的執行緒，那麼新的執行緒的計數器為空則不會影響當前執行緒的計數器，相互獨立。
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虛擬機器棧VM Stack 描述的是JAVA方法執行的記憶體模型，每個方法在執行的時候都會建立一個棧幀，用於儲存區域性變量表，運算元棧，動態連結，方法介面等資訊 區域性變量表儲存了編譯期可知的各種基本資料型別(boolean, byte, char, short, int, float, double, long), 物件引用(reference型別和returnAddress型別(指向一條位元組碼指令的地址) 執行緒請求的棧深度不夠會報StackOverflowError異常 棧動態擴充套件的容量不夠會報OutOfMemoryError異常
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本地方法棧Native Stack 本地方法棧類似於虛擬機器棧，只不過本地方法棧使用的是本地方法
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堆Heap 幾乎所有的物件例項都在堆上分配記憶體, 圖示關於堆的結構
- JAVA物件優先在Eden區分配，當Eden區沒有足夠的空間時觸發一次Minor GC ，觸發Minor GC時，Eden和from區中的存活物件會被複制到to區，然後from和to交換指標，以保證下次Minor GC時，to區還是空的，如果survival區無法容納的物件將通過分配擔保機制直接進入老年區
- 分配擔保機制可以通過HandlePromotionFailure配置，如果不允許的話，則直接發生FULL GC
- 新生代(Young Generation)的最大大小將根據總堆的最大大小和NewRatio引數的值來計算。引數的“不受限制”預設值MaxNewSize意味著計算值不受限制，MaxNewSize除非MaxNewSize在命令列中指定了值
- 一般情況下，不允許-XX:Newratio值小於1，即Old要比Young大
- 大物件直接進入老年區的判斷是根據PretenureSizeThreshold設定的閾值，所謂大物件時指需要大量連續記憶體空間的Java物件，最典型的大物件就是那種很長的字串以及陣列（筆者列出的例子中的byte[]陣列就是典型的大物件）
- 發生full GC的條件是：
（1）呼叫System.gc時，系統建議執行Full GC，但是不必然執行
（2）老年代空間不足
（3）方法去空間不足
（4）通過Minor GC後進入老年代的平均大小大於老年代的可用記憶體
（5）由Eden區、From Space區向To Space區複製時，物件大小大於To Space可用記憶體，則把該物件轉存到老年代，且老年代的可用記憶體小於該物件大小
- 物件存活判斷
- 引用計數：每個物件有一個引用計數屬性，新增一個引用時計數加1，引用釋放時計數減1，計數為0時可以回收。此方法簡單，無法解決物件相互迴圈引用的問題
- 可達性分析：從GC Roots開始向下搜尋，搜尋所走過的路徑稱為引用鏈。當一個物件到GC Roots沒有任何引用鏈相連時，則證明此物件是不可用的，不可達物件
- GC Roots物件包括
> 虛擬機器棧(棧幀中的本地變量表)中引用的物件
> 方法區中類靜態屬性引用的物件
> 方法區中常量引用的物件
> 本地方法棧中JNI(即一般說的Native方法)引用的物件
> 已啟動且未停止的java執行緒
- TLAB(Thread Local Allocation Buffer)，即執行緒本地分配快取區，這是一個執行緒專用的記憶體分配區域，可以使用引數 -XX:+UseTLAB，預設開啟，這個是用於解決多執行緒競爭堆記憶體分配問題，核心原理是每個執行緒可以向JAVA虛擬機器申請一段連續的記憶體，作為執行緒私有的TLAB，這個操作需要加鎖
| 引數 | 預設值 | 作用 |
|---|---|---|
| MinHeapFreeRatio | 40 | GC後，如果發現空閒堆記憶體小於整個預估堆記憶體的40%，則放大堆記憶體的預估最大值，但不超過固定最大值 |
| MaxHeapFreeRatio | 70 | GC後，如果發現空閒堆記憶體佔到整個預估堆記憶體的70%，則收縮堆記憶體預估最大值 |
| Xms | 實體記憶體的1/64(<1GB) | 初始堆大小 |
| Xmx | 實體記憶體的1/4(<1GB) | 最大堆大小 |
| NewRatio | 2 | 年輕代(包括Eden和兩個Survivor區)與年老代的比值 |
| NewSize | 1310M | 設定年輕代大小 |
| MaxNewSize | 不限 | 設定年輕代大小最大值 |
| SurvivorRatio | 8 | Eden區與Survivor區的大小比值 |
| MaxTenuringThreshold | 15 | 垃圾最大年齡 |
| PretenureSizeThreshold | 0 | 超過這個值直接在old區分配，預設值是0，意思是不管多大都是先在eden中分配 |
- 方法區Method Area JAVA虛擬機器規範把方法區描述為堆的一個邏輯部分，但是它卻有一個Non-Heap的別名，用於儲存已被虛擬機器載入的類資訊，常亮，靜態變數， 即時編譯器編譯後的程式碼等資料
在JDK 8中，永久代被刪除，類元資料在本機記憶體中分配。預設情況下，可用於類元資料的本機記憶體量是無限制的。使用該選項MaxMetaspaceSize可以為用於類元資料的本機記憶體量設定上限。
metaspace其實由兩大部分組成
Klass Metaspace就是用來存klass的，klass是我們熟知的class檔案在jvm裡的執行時資料結構，不過有點要提的是我們看到的類似A.class其實是存在heap裡的，是java.lang.Class的一個物件例項。這塊記憶體是緊接著Heap的，和我們之前的perm一樣，這塊記憶體大小可通過-XX:CompressedClassSpaceSize引數來控制，這個引數前面提到了預設是1G，但是這塊記憶體也可以沒有，假如沒有開啟壓縮指標就不會有這塊記憶體，這種情況下klass都會存在NoKlass Metaspace裡，另外如果我們把-Xmx設定大於32G的話，其實也是沒有這塊記憶體的，因為會這麼大記憶體會關閉壓縮指標開關。還有就是這塊記憶體最多隻會存在一塊。
NoKlass Metaspace專門來存klass相關的其他的內容，比如method，constantPool等，這塊記憶體是由多塊記憶體組合起來的，所以可以認為是不連續的記憶體塊組成的。這塊記憶體是必須的，雖然叫做NoKlass Metaspace，但是也其實可以存klass的內容，上面已經提到了對應場景。
Klass Metaspace和NoKlass Mestaspace都是所有classloader共享的，所以類載入器們要分配記憶體，但是每個類載入器都有一個SpaceManager，來管理屬於這個類載入的記憶體小塊。如果Klass Metaspace用完了，那就會OOM了，不過一般情況下不會，NoKlass Mestaspace是由一塊塊記憶體慢慢組合起來的，在沒有達到限制條件的情況下，會不斷加長這條鏈，讓它可以持續工作。
元空間的特點
- 充分利用了Java語言規範中的好處：類及相關的元資料的生命週期與類載入器的一致。
- 每個載入器有專門的儲存空間
- 只進行線性分配
- 不會單獨回收某個類
- 省掉了GC掃描及壓縮的時間
- 元空間裡的物件的位置是固定的
- 如果GC發現某個類載入器不再存活了，會把相關的空間整個回收掉
元空間的記憶體分配模型
- 絕大多數的類元資料的空間都從本地記憶體中分配
- 用來描述類元資料的類(klasses)也被刪除了
- 分元資料分配了多個虛擬記憶體空間
- 給每個類載入器分配一個記憶體塊的列表。塊的大小取決於類載入器的型別; sun/反射/代理對應的類載入器的塊會小一些
- 歸還記憶體塊，釋放記憶體塊列表
- 一旦元空間的資料被清空了，虛擬記憶體的空間會被回收掉
- 減少碎片的策略
- 執行時常量池Runtime Constant Pool 執行時常量池時方法區中的一部分，用於存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，並不是只有編譯期才能產生常量，執行期間也有可能將新的常量放入常量池，因此也會有可能丟擲OutOfMemoryError異常 常見的有字串常量池
參考： [1] 深入理解Java虛擬機器第二版
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