JVM 内存结构
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1. 内存结构
2. String Table
- 2.1. \(intern()\)
3. 垃圾回收
4. 引用

1 内存结构

Figure 1: JVM 基本架构

1.1 Java 堆

Java 堆在虚拟机启动时创建，用于存放对象实例，几乎所有的对象（ 包含 interned string ）都在堆上分配内存，当对象无法再该空间申请到内存时将抛出 OutOfMemoryError 异常。

堆空间是线程共享的，同时也是垃圾收集器管理的主要区域。可通过 -Xmx -Xms 参数来分别指定最大堆和最小堆。

1.1.1 堆，方法区和 Java 栈的关系

public class SimpleHeap {

    private int id;

    public SimpleHeap(int id){
        this.id = id;
    }

    public void show(){ }

    public static void main(String[] args) {
        SimpleHeap s1 = new SimpleHeap(1);
        SimpleHeap s2 = new SimpleHeap(2);
        s1.show();
        s2.show();
    }
}

上述代码中各对象和局部变量的存放如下图所示。SimpleHeap 实例本身在堆中分配，描述 SimpleHeap 类的信息存放在方法区，局部变量存放在 Java 栈中，并指向堆中实例。

Figure 2: 堆，方法区和 Java 栈的关系

1.2 Java 栈

每个线程都有一个私有的 Java 栈， 在线程创建的时候被创建。

栈中每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息， 不存在垃圾回收问题， 只要线程一结束该栈就释放，生命周期和线程一致。

线程请求的栈深度大于虚拟机栈所允许的深度，将抛出 StackOverFlowError 异常。

通过虚拟机参数 -Xss 指定栈空间，空间大小决定了 函数调用的深度 ，栈越大，函数可以支持的嵌套调用次数就越多。 ¹

1.2.1 局部变量表

局部变量表是栈帧的组成部分之一，用于保存函数的参数和局部变量。当函数调用结束，函数帧栈销毁，局部变量表也会随之销毁。

在相同栈容量下，局部变量少的函数可以支持更深层次的函数调用。 ²

1.2.2 栈上分配

栈上分配是虚拟机的一项优化技术，基本思想是，对于线程私有的对象， 可以将它们分配在栈上，而不是分配在堆上。

这样做的好处是对象可以在函数调用结束后自行销毁，而不需要垃圾收集器的介入，提高系统性能。

栈上分配可以用于 逃逸分析 ，即判断对象的作用域是否有可能逃出函数体，如果虚拟机发现对象不可能发生逃逸，则可以将对象分配在栈上，而不是堆上。³

1.3 方法区

方法区是一块所有线程共享的内存区域，用于保存类的字段，方法和常量池等。

Java 8 之后使用 元数据区 表示方法区，元数据区的大小可以使用 -XX:MaxMetaspaceSize 来指定，这是一块 堆外的直接内存 。 ⁴

如果不指定大小，默认情况下，虚拟机会用尽所有可用的系统内存。

2 String Table

2.1 \(intern()\)

尝试将字符串对象引用放入 ST ，如果已存在直接返回现有的引用。

3 垃圾回收

3.1 回收依据

常用的用于判断对象是否可以回收的方法有两种：

引用计数

早期 Python 采用这种方式，缺点是不能解决循环引用的情况。
可达性分析

JVM 采用这种方式，从根对象 (GC root) 开始遍历，无法到达的对象就是可以回收的。根对象包括：局部变量表中的对象引用，方法区中类静态属性引用，本地方法栈中的对象引用。

3.2 回收算法

3.2.1 Mark-Sweep

标记清除法先通过根节点标记所有可达对象，然后清除所有不可达对象。该算法效率高但是容易产生内存碎片(空间不连续)。

Figure 3: mark-sweep 算法示意

3.2.2 Mark-Compact

效果等同于标记清除法执行完成后在进行一次内存碎片整理，这种算法效率较低，适用于老年代的内存回收。

Figure 4: mark-compact 算法示意

3.2.3 Copying

核心思想是将内存空间分为两块，每次只使用其中一块，在进行垃圾回收时，将正在使用的内存中的存活对象复制到未使用的内存块中去，之后清除正在使用的内存块中的 所有对象 ，并交换两个内存块的角色。

复制算法的优势是效率高，回收后的内存空间没有碎片，但带来的 代价是内存折半， 典型的空间换时间的做法，适用于新生代垃圾回收。

Figure 5: copying 算法示意

3.3 分代回收

JVM 内存模型就是采用了分代回收的思想，新生代和老年代可以选择使用不同的回收器。

新生代分为 eden 区， from 区和 to 区 3 个部分。
其中 from 和 to 可以视为用于复制的两块 大小相同，地位相等且可进行角色互换的内存空间。 （ from 和 to 也称为 survivor 区）

在进行垃圾回收时， eden 区的存活对象会被复制到未使用的 survivor 区（假设是 to ），正在使用的 survivor 区（假设是 from ）的存活对象也会被复制到 to 区。
大对象或者老年对象直接进入老年代，如果 to 区已满，对象也会直接进入老年代。
此时，eden 和 from 的剩余对象就是垃圾对象，直接清空即可， to 则存放此次回收后的存活对象。

内存分配与回收大致逻辑：

对象一开始被分配在新生代的 eden 区域。
当 eden 区空间不足时，触发 minor gc ，即将 eden 和 survivor from 中存活的内存使用 copying 算法复制到 survivor to 中，存活内存年龄 \(+1\) ，同时在逻辑上交换 survivor from/to 区域。
minor gc 会暂停用户线程，即触发 STW 。
当对象内存年龄超过 15 时，晋升至老年代。 \(age>15\) 不是必要条件，如遇到内存过大，或新生代内存不足的情况，也会晋升至老年代。
当老年代空间不足时，会先尝试 minor gc ，若空间仍不能满足需求，则触发 full gc 。
full gc 触发 STW ，因为老年代使用 mark-compact 内存回收算法，所以停顿时间远长于 minor gc 。

Figure 6: 分代回收示意

3.3.1 相关 VM options

含义	options
新生代大小	-Xmn
幸存区占比	-XX:SurvivorRatio=ratio
打印晋升信息	-XX+PrintTenuringDistribution
GC 时打印信息	-Xlog:gc* -verbose:gc

3.4 回收器

不同的回收器决定了执行回收操作时所采用的的线程模型 (serial/parallel/concurrent) 和算法模型 (copying/mark-sweep/mark-compact)。
新生代和老年代可以选择指派不同的回收器。

Figure 7: 垃圾收集器

3.4.1 串行模式(SerialGC)

使用单线程执行垃圾回收工作。

\(-XX+UseSerialGC\): 新生代和老年代都使用串行回收器

Figure 8: 串行收集器运行示意

3.4.2 并行模式 (ParalelGC) 【吞吐量优先】

使用多线程执行垃圾回收工作，尽可能减少 STW 次数。

\(-XX:+UseParallelGC\): 新生代使用 Parallel 收集器，老年代使用串行收集器
\(-XX:+UseParallelOldGC\): 新生代和老年代都使用并行收集器
\(-XX:ParalelGCThreads=n\): 控制 GC 线程数
\(-XX:+UseAdaptiveSizePolicy\): 动态调整新生代 eden 和 survivor 的比例
\(-XX:GCTimeRatio=ratio\): 设置 GC 时间与运行时间的占比，回收器会动态调整堆大小以满足该目标，该参数用于优化吞吐量的
\(-XX:MaxGCPauseMillis=ms\): 设置最大 GC 暂停时间，回收器会动态调整堆大小以达到该目标，该参数用于优化响应速度的（与上面的参数其实是对立的）

Figure 9: 并行收集器运行示意

3.4.3 并发模式【响应时间优先】

多线程并发（不阻塞用户线程）执行垃圾回收工作，尽可能让 STW 时间最短

3.4.3.1 CMS

只用于老年代垃圾回收，实际效果并没有想象中那么好，由于【浮动垃圾】和因使用 sweep 算法造成的过量内存碎片的因素存在，很有可能触发（降级）一次使用串行收集器的内存整理，非常耗时。

\(-XX:+UseConcMarkSweepGC\): 老年代开启 CMS 回收器
\(-XX:+UseParNewGC\): 指定新生代回收器，这是 Serial 收集器的多线程版本

3.4.3.2 G1

4 引用

4.1 强引用

当 GC Roots 无法通过强引用遍历到该对象时，该对象才能被回收。

4.2 Soft

若对象被软引用引用时，当首次垃圾回收后内存仍然不足时，立即再次执行 GC 时被回收，可以配合引用队列使用。

4.3 Weak

若对象被弱引用引用时，只要发生 GC 就会被回收，可以配合引用队列使用。

4.4 Phantom

必须配合引用队列才能使用，当引用的对象被回收时，该弱引用会进入引用队列，由 Reference Handler 线程调用 \(PhantomReference::clean\) 方法执行收尾动作，通常用于释放 ByteBuffer 占用的直接内存。

4.5 Final

必须配合引用队列才能使用，通常情况下无需人为创建使用该引用类型，当引用的对象需要回收时（实际上没有立刻回收），Final 引用对象进入引用队列，由 Finalizer 线程调佣 \(Object::finalize\) 方法，再经过一次 GC ，该对象才会被真正回收。

Footnotes:

⁴

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