jvm笔记

JVM笔记

（还是要记住记笔记的重点，是为了防止只看的走马观花记不住，但也不能纯cv为了记笔记而记笔记的感觉，也是要搞出自己认为重要的地方就是定期自己小结，也可以拿来发博客日后方便自己回顾）

（不过也不用太细，技术栈是学不完的，快速的过一下学一下是可以的，不过遇到思维上东西也可以提一下，这个是真的公用的，思维能解决所有问题）

基础篇

1初始jvm

1什么是jvm

JVM 全称是 Java Virtual Machine，中文译名 Java虚拟机。JVM 本质上是一个运行在计算机上的程序，他的职责是运行Java字节码文件。

分为三个步骤：

1、编写Java源代码文件。

2、使用Java编译器（javac命令）将源代码编译成Java字节码文件。

3、使用Java虚拟机加载并运行Java字节码文件，此时会启动一个新的进程。

（java代码-编译class-jvm运行class）

2jvm功能

解释和运行：

对字节码文件中的指令，实时的解释成机器码，让计算机执行。

字节码文件中包含了字节码指令，计算器无法直接执行，Java虚拟机会将字节码文件中的字节码指令实时地解释成机器码，机器码是计算机可以运行的指令。

内存管理：

• 自动为对象、方法等分配内存
• 自动的垃圾回收机制，回收不再使用的对象

（垃圾回收是重要的，防止内存溢出）

Java虚拟机会帮助程序员为对象分配内存，同时将不用的对象使用垃圾回收器回收掉，这是对比C和C++这些语言的一个优势。在C/C++语言中，对象的回收需要程序员手动去编写代码完成，如果遗漏了这段删除对象的代码，这个对象就会永远占用内存空间，不会再回收。所以JVM的这个功能降低了程序员编写代码的难度。

即时编译：

对热点代码进行优化，提升执行效率。即时编译可以说是提升Java程序性能最核心的手段。

（这个也很重要，就是缓存热点代码的感觉，来节约字节码变机器码时间）

Java性能低的主要原因和跨平台特性

Java语言如果不做任何的优化，性能其实是不如C和C++语言的。主要原因是：

在程序运行过程中，Java虚拟机需要将字节码指令实时地解释成计算机能识别的机器码，这个过程在运行时可能会反复地执行，所以效率较低。

C和C++语言在执行过程中，只需要将源代码编译成可执行文件，就包含了计算机能识别的机器码，无需在运行过程中再实时地解释，所以性能较高。

Java为什么要选择一条执行效率比较低的方式呢？主要是为了实现跨平台的特性。Java的字节码指令，如果希望在不同平台（操作系统+硬件架构），比如在windows或者linux上运行。可以使用同一份字节码指令，交给windows和linux上的Java虚拟机进行解释，这样就可以获得不同平台上的机器码了。这样就实现了Write Once，Run Anywhere 编写一次，到处运行 的目标。

（用多平台来换效率，有解耦合的感觉，换平台只需要修改虚拟机的转机器码过程，不需要动源代码的字节码文件)

再回到即时编译，在JDK1.1的版本中就推出了即时编译去优化对应的性能。

虚拟机在运行过程中如果发现某一个方法甚至是循环是热点代码（被非常高频调用），即时编译器会优化这段代码并将优化后的机器码保存在内存中，如果第二次再去执行这段代码。Java虚拟机会将机器码从内存中取出来直接进行调用。这样节省了一次解释的步骤，同时执行的是优化后的代码，效率较高。

Java通过即时编译器获得了接近C/C++语言的性能，在某些特定的场景下甚至可以实现超越。

(就是缓存热门机器码不需要再转)

3常见的jvm

小结：

就是讲讲java的特点，要变字节码再jvm变机器码，有好处有坏处，在讲坏处怎么解决优化。

2字节码文件详解

1java虚拟机组成

• 类加载子系统：核心组件类加载器，负责将字节码文件中的内容加载到内存中。
• 运行时数据区：JVM管理的内存，创建出来的对象、类的信息等等内容都会放在这块区域中。
• 执行引擎：包含了即时编译器、解释器、垃圾回收器，执行引擎使用解释器将字节码指令解释成机器码，使用即时编译器优化性能，使用垃圾回收器回收不再使用的对象。
• 本地接口：调用本地使用C/C++编译好的方法，本地方法在Java中声明时，都会带上native关键字，如下图所示。（本地接口就是调用别的语言写好的代码）

2字节码文件组成

基本信息

• 基础信息：魔数、字节码文件对应的Java版本号、访问标识(public final等等)、父类和接口信息
• 常量池：保存了字符串常量、类或接口名、字段名，主要在字节码指令中使用
• 字段： 当前类或接口声明的字段信息
• 方法： 当前类或接口声明的方法信息，核心内容为方法的字节码指令
• 属性： 类的属性，比如源码的文件名、内部类的列表等

魔数

每个Java字节码文件的前四个字节是固定的，用16进制表示就是0xcafebabe。文件是无法通过文件扩展名来确定文件类型的，文件扩展名可以随意修改不影响文件的内容。软件会使用文件的头几个字节（文件头）去校验文件的类型，如果软件不支持该种类型就会出错。

比如常见的文件格式校验方式如下

Java字节码文件中，将文件头称为magic魔数。Java虚拟机会校验字节码文件的前四个字节是不是0xcafebabe，如果不是，该字节码文件就无法正常使用，Java虚拟机会抛出对应的错误。

（就是只认魔数不认扩展名）

主副版本号：

主副版本号指的是编译字节码文件时使用的JDK版本号，主版本号用来标识大版本号，JDK1.0-1.1使用了45.0-45.3，JDK1.2是46之后每升级一个大版本就加1；副版本号是当主版本号相同时作为区分不同版本的标识，一般只需要关心主版本号。

1.2之后大版本号计算方法就是 : 主版本号 -- 44，比如主版本号52就是JDK8。

版本号的作用主要是判断当前字节码的版本和运行时的JDK是否兼容。如果使用较低版本的JDK去运行较高版本JDK的字节码文件，会报错，需要升级jdk版本但是容易出现兼容性问题。也可以将第三方依赖版本需求降低。

其他基础信息：

常量池

字节码文件中常量池的作用：避免相同的内容重复定义，节省空间。如下图，常量池中定义了一个字符串，字符串的字面量值为123。

比如在代码中，编写了两个相同的字符串"我爱北京天安门"，字节码文件甚至将来在内存中使用时其实只需要保存一份，此时就可以将这个字符串以及字符串里边包含的字面量，放入常量池中以达到节省空间的作用。

（可以类比字符串常量池，只是是不同层级的常量池）

常量池中的数据都有一个编号，编号从1开始。比如"我爱北京天安门"这个字符串，在常量池中的编号就是7。在字段或者字节码指令中通过编号7可以快速的找到这个字符串。

字节码指令中通过编号引用到常量池的过程称之为符号引用。

字段

字段中存放的是当前类或接口声明的字段信息。

如下图中，定义了两个字段a1和a2，这两个字段就会出现在字段这部分内容中。同时还包含字段的名字、描述符（字段的类型）、访问标识（public/private static final等）。

方法

字节码中的方法区域是存放字节码指令的核心位置，字节码指令的内容存放在方法的Code属性中。

要理解这段字节码指令是如何执行的，我们需要先理解两块内存区域：操作数栈和局部变量表。

操作数栈是用来存放临时数据的内容，是一个栈式的结构，先进后出。

局部变量表是存放方法中的局部变量，包含方法的参数、方法中定义的局部变量，在编译期就已经可以确定方法有多少个局部变量。

属性

字节码工具

javap

主要是jdk自带的

之前那个图形化看字节码的插件版本

生产环境用的，可以线上诊断排查问题

3类的生命周期

类的生命周期描述了一个类加载、使用、卸载的整个过程。整体可以分为：

• 加载
• 连接，其中又分为验证、准备、解析三个子阶段
• 初始化
• 使用
• 卸载

加载阶段

连接阶段

连接阶段分为三个子阶段:

• 验证，验证内容是否满足《Java虚拟机规范》。
• 准备，给静态变量赋初值。
• 解析，将常量池中的符号引用替换成指向内存的直接引用。

（这里文件格式验证看开头的就是在看魔数）

准备阶段为静态变量（static）分配内存并设置初值，每一种基本数据类型和引用数据类型都有其初值。

讲道理这里有点没看懂（好吧就是字面意思）

初始化阶段

初始化阶段会执行字节码文件中clinit（class init 类的初始化）方法的字节码指令，包含了静态代码块中的代码，并为静态变量赋值。

以下几种方式会导致类的初始化：

1.访问一个类的静态变量或者静态方法，注意变量是final修饰的并且等号右边是常量不会触发初始化。

2.调用Class.forName(String className)。

3.new一个该类的对象时。

4.执行Main方法的当前类。

添加-XX:+TraceClassLoading 参数可以打印出加载并初始化的类

每new一个对象就会cb一次（）

（别的不看了大概了解）

4类加载器

什么是类加载器

类加载器（ClassLoader）是Java虚拟机提供给应用程序去实现获取类和接口字节码数据的技术，类加载器只参与加载过程中的字节码获取并加载到内存这一部分。

类加载器会通过二进制流的方式获取到字节码文件的内容，接下来将获取到的数据交给Java虚拟机，虚拟机会在方法区和堆上生成对应的对象保存字节码信息。

类加载器的分类

类加载器分为两类，一类是Java代码中实现的，一类是Java虚拟机底层源码实现的。

• 虚拟机底层实现：源代码位于Java虚拟机的源码中，实现语言与虚拟机底层语言一致，比如Hotspot使用C++。主要目的是保证Java程序运行中基础类被正确地加载，比如java.lang.String，Java虚拟机需要确保其可靠性。
• JDK中默认提供或者自定义：JDK中默认提供了多种处理不同渠道的类加载器，程序员也可以自己根据需求定制，使用Java语言。所有Java中实现的类加载器都需要继承ClassLoader这个抽象类。

启动类加载器

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）是由Hotspot虚拟机提供的、使用C++编写的类加载器。
• 默认加载Java安装目录/jre/lib下的类文件，比如rt.jar，tools.jar，resources.jar等。

扩展类加载器和应用程序类加载

• 扩展类加载器和应用程序类加载器都是JDK中提供的、使用Java编写的类加载器。
• 它们的源码都位于sun.misc.Launcher中，是一个静态内部类。继承自URLClassLoader。具备通过目录或者指定jar包将字节码文件加载到内存中。

扩展类加载器

扩展类加载器（Extension Class Loader）是JDK中提供的、使用Java编写的类加载器。默认加载Java安装目录/jre/lib/ext下的类文件。

应用程序类加载器

应用程序类加载器会加载classpath下的类文件，默认加载的是项目中的类以及通过maven引入的第三方jar包中的类。

5双亲委派机制

双亲委派机制指的是：当一个类加载器接收到加载类的任务时，会自底向上查找是否加载过，再由顶向下进行加载。

如果发现没加载过，再向下传的时候会交给第一个发现在自己路径的父类加载。

作用：

1.保证类加载的安全性。通过双亲委派机制避免恶意代码替换JDK中的核心类库，比如java.lang.String，确保核心类库的完整性和安全性。

2.避免重复加载。双亲委派机制可以避免同一个类被多次加载。

（总结就是安全）

如何指定加载类的类加载器？

在Java中如何使用代码的方式去主动加载一个类呢？

方式1：使用Class.forName方法，使用当前类的类加载器去加载指定的类。

方式2：获取到类加载器，通过类加载器的loadClass方法指定某个类加载器加载。

小结：

6打破双亲委派机制

打破双亲委派机制历史上有三种方式，但本质上只有第一种算是真正的打破了双亲委派机制：

• 自定义类加载器并且重写loadClass方法。Tomcat通过这种方式实现应用之间类隔离，《面试篇》中分享它的做法。
• 线程上下文类加载器。利用上下文类加载器加载类，比如JDBC和JNDI等。
• Osgi框架的类加载器。历史上Osgi框架实现了一套新的类加载器机制，允许同级之间委托进行类的加载，目前很少使用。

自定义类加载器：

（出现的问题和解决的方法）

两个自定义类加载器加载相同限定名的类，不会冲突吗？

不会冲突，在同一个Java虚拟机中，只有相同类加载器+相同的类限定名才会被认为是同一个类。

线程上下文类加载器

利用上下文类加载器加载类，比如JDBC和JNDI等。

JDBC案例中真的打破了双亲委派机制吗？

最早这个论点提出是在周志明《深入理解Java虚拟机》中，他认为打破了双亲委派机制，这种由启动类加载器加载的类，委派应用程序类加载器去加载类的方式，所以打破了双亲委派机制。

但是如果我们分别从DriverManager以及驱动类的加载流程上分析，JDBC只是在DriverManager加载完之后，通过初始化阶段触发了驱动类的加载，类的加载依然遵循双亲委派机制。

所以我认为这里没有打破双亲委派机制，只是用一种巧妙的方法让启动类加载器加载的类，去引发的其他类的加载

7jdk9之后的类加载器

用了模块化设计

（有的感觉全是知识点的就不小结了）

3运行时数据区

1程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）也叫PC寄存器，每个线程会通过程序计数器记录当前要执行的的字节码指令的地址。（记下一条指令）

在代码执行过程中，程序计数器会记录下一行字节码指令的地址。执行完当前指令之后，虚拟机的执行引擎根据程序计数器执行下一行指令。

在多线程执行情况下，Java虚拟机需要通过程序计数器记录CPU切换前解释执行到那一句指令并继续解释运行。

程序计数器会出现内存溢出吗？

内存溢出指的是程序在使用某一块内存区域时，存放的数据需要占用的内存大小超过了虚拟机能提供的内存上限。由于每个线程只存储一个固定长度的内存地址，程序计数器是不会发生内存溢出的。程序员无需对程序计数器做任何处理。（毕竟存的只是指令 ）

2java虚拟机栈

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）采用栈的数据结构来管理方法调用中的基本数据，先进后出（First In Last Out）,每一个方法的调用使用一个栈帧（Stack Frame）来保存。

（和游戏王时点结算似的，后发先至）

Java虚拟机栈的栈帧中主要包含三方面的内容：

• 局部变量表，局部变量表的作用是在运行过程中存放所有的局部变量
• 操作数栈，操作数栈是栈帧中虚拟机在执行指令过程中用来存放临时数据的一块区域
• 帧数据，帧数据主要包含动态链接、方法出口、异常表的引用

局部变量

局部变量表的作用是在方法执行过程中存放所有的局部变量。局部变量表分为两种，一种是字节码文件中的，另外一种是栈帧中的也就是保存在内存中。栈帧中的局部变量表是根据字节码文件中的内容生成的。

操作数

操作数栈是栈帧中虚拟机在执行指令过程中用来存放中间数据的一块区域。他是一种栈式的数据结构，如果一条指令将一个值压入操作数栈，则后面的指令可以弹出并使用该值。

在编译期就可以确定操作数栈的最大深度，从而在执行时正确的分配内存大小。

帧数据

帧数据主要包含动态链接、方法出口、异常表的引用。

动态链接

当前类的字节码指令引用了其他类的属性或者方法时，需要将符号引用（编号）转换成对应的运行时常量池中的内存地址。动态链接就保存了编号到运行时常量池的内存地址的映射关系。

方法出口

方法出口指的是方法在正确或者异常结束时，当前栈帧会被弹出，同时程序计数器应该指向上一个栈帧中的下一条指令的地址。所以在当前栈帧中，需要存储此方法出口的地址。

异常表

异常表存放的是代码中异常的处理信息，包含了异常捕获的生效范围以及异常发生后跳转到的字节码指令位置。

栈内存溢出

Java虚拟机栈如果栈帧过多，占用内存超过栈内存可以分配的最大大小就会出现内存溢出。Java虚拟机栈内存溢出时会出现StackOverflowError的错误。

(需要idea调大栈内存)

3本地方法栈

Java虚拟机栈存储了Java方法调用时的栈帧，而本地方法栈存储的是native本地方法的栈帧。

（不同方法不同的栈帧）

在Hotspot虚拟机中，Java虚拟机栈和本地方法栈实现上使用了同一个栈空间。本地方法栈会在栈内存上生成一个栈帧，临时保存方法的参数同时方便出现异常时也把本地方法的栈信息打印出来。

4堆内存

一般Java程序中堆内存是空间最大的一块内存区域。创建出来的对象都存在于堆上。栈上的局部变量表中，可以存放堆上对象的引用。静态变量也可以存放堆对象的引用，通过静态变量就可以实现对象在线程之间共享。

堆内存的溢出

堆内存大小是有上限的，当对象一直向堆中放入对象达到上限之后，就会抛出OutOfMemory错误。在这段代码中，不停创建100M大小的字节数组并放入ArrayList集合中，最终超过了堆内存的上限。抛出错误。

三个重要的值

堆空间有三个需要关注的值，used、total、max。used指的是当前已使用的堆内存，total是java虚拟机已经分配的可用堆内存，max是java虚拟机可以分配的最大堆内存。

随着堆中的对象增多，当total可以使用的内存即将不足时，java虚拟机会继续分配内存给堆。此时used达到了total的大小，Java虚拟机会向操作系统申请更大的内存。但是这个申请过程不是无限的，total最多只能与max相等。

那么是不是当used = max = total的时候，堆内存就溢出了呢？

不是，堆内存溢出的判断条件比较复杂，在下一章《垃圾回收器》中会详细介绍。

设置堆的大小

建议：

Java服务端程序开发时，建议将-Xmx和-Xms设置为相同的值，这样在程序启动之后可使用的总内存就是最大内存，而无需向java虚拟机再次申请，减少了申请并分配内存时间上的开销，同时也不会出现内存过剩之后堆收缩的情况。-Xmx具体设置的值与实际的应用程序运行环境有关，在《实战篇》中会给出设置方案。

5方法区

方法区是存放基础信息的位置，线程共享，主要包含三部分内容：

• 类的元信息，保存了所有类的基本信息
• 运行时常量池，保存了字节码文件中的常量池内容
• 字符串常量池，保存了字符串常量

类的元信息

方法区是用来存储每个类的基本信息（元信息），一般称之为InstanceKlass对象。在类的加载阶段完成。其中就包含了类的字段、方法等字节码文件中的内容，同时还保存了运行过程中需要使用的虚方法表（实现多态的基础）等信息。

运行时常量池

方法区除了存储类的元信息之外，还存放了运行时常量池。常量池中存放的是字节码中的常量池内容。

字节码文件中通过编号查表的方式找到常量，这种常量池称为静态常量池。当常量池加载到内存中之后，可以通过内存地址快速的定位到常量池中的内容，这种常量池称为运行时常量池。

方法区的实现

方法区是《Java虚拟机规范》中设计的虚拟概念，每款Java虚拟机在实现上都各不相同。Hotspot设计如下：

JDK7及之前的版本将方法区存放在堆区域中的永久代空间，堆的大小由虚拟机参数来控制。

JDK8及之后的版本将方法区存放在元空间中，元空间位于操作系统维护的直接内存中，默认情况下只要不超过操作系统承受的上限，可以一直分配。

方法区的溢出

• JDK7将方法区存放在堆区域中的永久代空间，堆的大小由虚拟机参数-XX:MaxPermSize=值来控制。
• JDK8将方法区存放在元空间中，元空间位于操作系统维护的直接内存中，默认情况下只要不超过操作系统承受的上限，可以一直分配。可以使用-XX:MaxMetaspaceSize=值将元空间最大大小进行限制。

字符串常量池

方法区中除了类的元信息、运行时常量池之外，还有一块区域叫字符串常量池(StringTable)。

字符串常量池存储在代码中定义的常量字符串内容。比如"123" 这个123就会被放入字符串常量池。

常量和new的对象是两个对象，常量充当缓存，享元模式。

字符串常量池和运行时常量池有什么关系？

早期设计时，字符串常量池是属于运行时常量池的一部分，他们存储的位置也是一致的。后续做出了调整，将字符串常量池和运行时常量池做了拆分。

神奇的intern

String.intern()方法是可以手动将字符串放入字符串常量池中。

静态变量存储在哪里呢？

（静态变量是类变量）

• JDK6及之前的版本中，静态变量是存放在方法区中的，也就是永久代。
• JDK7及之后的版本中，静态变量是存放在堆中的Class对象中，脱离了永久代。具体源码可参考虚拟机源码：BytecodeInterpreter针对putstatic指令的处理。

6直接内存

直接内存（Direct Memory）并不在《Java虚拟机规范》中存在，所以并不属于Java运行时的内存区域。

在 JDK 1.4 中引入了 NIO 机制，使用了直接内存，主要为了解决以下两个问题:

1、Java堆中的对象如果不再使用要回收，回收时会影响对象的创建和使用。

2、IO操作比如读文件，需要先把文件读入直接内存（缓冲区）再把数据复制到Java堆中。

现在直接放入直接内存即可，同时Java堆上维护直接内存的引用，减少了数据复制的开销。写文件也是类似的思路。

4垃圾回收

在C/C++这类没有自动垃圾回收机制的语言中，一个对象如果不再使用，需要手动释放，否则就会出现内存泄漏。

内存泄漏指的是不再使用的对象在系统中未被回收，内存泄漏的积累可能会导致内存溢出。

我们称这种释放对象的过程为垃圾回收，而需要程序员编写代码进行回收的方式为手动回收。手动回收的方式相对来说回收比较及时，删除代码执行之后对象就被回收了，可以快速释放内存。缺点是对程序员要求比较高，很容易出现创建完对象之后，程序员忘记释放对象。

Java中为了简化对象的释放，引入了自动的垃圾回收（Garbage Collection简称GC）机制。通过垃圾回收器来对不再使用的对象完成自动的回收，垃圾回收器主要负责对堆上的内存进行回收。其他很多现代语言比如C#、Python、Go都拥有自己的垃圾回收器。

垃圾回收器如果发现某个对象不再使用，就可以回收该对象。

• 自动垃圾回收，自动根据对象是否使用由虚拟机来回收对象

  • 优点：降低程序员实现难度、降低对象回收bug的可能性
  • 缺点：程序员无法控制内存回收的及时性

• 手动垃圾回收，由程序员编程实现对象的删除

  • 优点：回收及时性高，由程序员把控回收的时机
  • 缺点：编写不当容易出现悬空指针、重复释放、内存泄漏等问题

那么垃圾回收器需要负责对哪些部分的内存进行回收呢？

首先是线程不共享的部分，都是伴随着线程的创建而创建，线程的销毁而销毁。而方法的栈帧在执行完方法之后就会自动弹出栈并释放掉对应的内存。所以这一部分不需要垃圾回收器负责回收。

1方法区的回收

方法区中能回收的内容主要就是不再使用的类。

判定一个类可以被卸载。需要同时满足下面三个条件：

1、此类所有实例对象都已经被回收，在堆中不存在任何该类的实例对象以及子类对象。

2、加载该类的类加载器已经被回收。

3、该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用。

那么类卸载主要用在什么场景下呢？

开发中此类场景一般很少出现，主要在如 OSGi、JSP 的热部署等应用场景中。

每个jsp文件对应一个唯一的类加载器，当一个jsp文件修改了，就直接卸载这个jsp类加载器。重新创建类加载器，重新加载jsp文件。

2如何判断对象可以回收

垃圾回收器要回收对象的第一步就是判断哪些对象可以回收。Java中的对象是否能被回收，是根据对象是否被引用来决定的。如果对象被引用了，说明该对象还在使用，不允许被回收。

判断对象是否可以回收，主要有两种方式：引用计数法和可达性分析法。

引用计数法：

引用计数法会为每个对象维护一个引用计数器，当对象被引用时加1，取消引用时减1。

引用计数法的优点是实现简单，C++中的智能指针就采用了引用计数法，但是它也存在缺点，主要有两点：

1.每次引用和取消引用都需要维护计数器，对系统性能会有一定的影响

2.存在循环引用问题，所谓循环引用就是当A引用B，B同时引用A时会出现对象无法回收的问题。

可达性分析法：

Java使用的是可达性分析算法来判断对象是否可以被回收。可达性分析将对象分为两类：垃圾回收的根对象（GC Root）和普通对象，对象与对象之间存在引用关系。

哪些对象被称之为GC Root对象呢？

• 线程Thread对象，引用线程栈帧中的方法参数、局部变量等。

• 系统类加载器加载的java.lang.Class对象，引用类中的静态变量。

• 监视器对象，用来保存同步锁synchronized关键字持有的对象。

• 本地方法调用时使用的全局对象。

通过arthas和eclipse Memory Analyzer (MAT) 工具可以查看GC Root，MAT工具是eclipse推出的Java堆内存检测工具。具体操作步骤如下：

1、使用arthas的heapdump命令将堆内存快照保存到本地磁盘中。

2、使用MAT工具打开堆内存快照文件。

3、选择GC Roots功能查看所有的GC Root。

3常见的引用对象

可达性算法中描述的对象引用，一般指的是强引用，即是GCRoot对象对普通对象有引用关系，只要这层关系存在，普通对象就不会被回收。除了强引用之外，Java中还设计了几种其他引用方式：

• 软引用
• 弱引用
• 虚引用
• 终结器引用

软引用

软引用的使用方法

软引用的执行过程如下：

1.将对象使用软引用包装起来，new SoftReference<对象类型>(对象)。

2.内存不足时，虚拟机尝试进行垃圾回收。

3.如果垃圾回收仍不能解决内存不足的问题，回收软引用中的对象。

4.如果依然内存不足，抛出OutOfMemory异常。

软引用对象本身怎么回收呢？

如果软引用对象里边包含的数据已经被回收了，那么软引用对象本身其实也可以被回收了。

SoftReference提供了一套队列机制：

1、软引用创建时，通过构造器传入引用队列

2、在软引用中包含的对象被回收时，该软引用对象会被放入引用队列

3、通过代码遍历引用队列，将SoftReference的强引用删除

弱引用

弱引用的整体机制和软引用基本一致，区别在于弱引用包含的对象在垃圾回收时，不管内存够不够都会直接被回收。在JDK 1.2版之后提供了WeakReference类来实现弱引用，弱引用主要在ThreadLocal中使用。

弱引用对象本身也可以使用引用队列进行回收。

虚引用和终结器引用

这两种引用在常规开发中是不会使用的。

• 虚引用也叫幽灵引用/幻影引用，不能通过虚引用对象获取到包含的对象。虚引用唯一的用途是当对象被垃圾回收器回收时可以接收到对应的通知。Java中使用PhantomReference实现了虚引用，直接内存中为了及时知道直接内存对象不再使用，从而回收内存，使用了虚引用来实现。

• 终结器引用指的是在对象需要被回收时，终结器引用会关联对象并放置在Finalizer类中的引用队列中，在稍后由一条由FinalizerThread线程从队列中获取对象，然后执行对象的finalize方法，在对象第二次被回收时，该对象才真正的被回收。在这个过程中可以在finalize方法中再将自身对象使用强引用关联上，但是不建议这样做。

4垃圾回收算法

1960年John McCarthy发布了第一个GC算法：标记-清除算法。

1963年Marvin L. Minsky 发布了复制算法。

本质上后续所有的垃圾回收算法，都是在上述两种算法的基础上优化而来。

垃圾回收算法的评价标准

Java垃圾回收过程会通过单独的GC线程来完成，但是不管使用哪一种GC算法，都会有部分阶段需要停止所有的用户线程。这个过程被称之为Stop The World简称STW，如果STW时间过长则会影响用户的使用。

判断GC算法是否优秀，可以从三个方面来考虑：

没有一个垃圾回收算法能兼顾上述三点评价标准，所以不同的垃圾回收算法它的侧重点是不同的，适用于不同的应用场景。

标记清除算法

标记清除算法的核心思想分为两个阶段：

1.标记阶段，将所有存活的对象进行标记。Java中使用可达性分析算法，从GC Root开始通过引用链遍历出所有存活对象。

2.清除阶段，从内存中删除没有被标记也就是非存活对象。

第一个阶段，从GC Root对象开始扫描，将对象A、B、C在引用链上的对象标记出来：

第二个阶段，将没有标记的对象清理掉，所以对象D就被清理掉了。

优点：实现简单，只需要在第一阶段给每个对象维护标志位，第二阶段删除对象即可。

缺点：1.碎片化问题

由于内存是连续的，所以在对象被删除之后，内存中会出现很多细小的可用内存单元。如果我们需要的是一个比较大的空间，很有可能这些内存单元的大小过小无法进行分配。

缺点：2.分配速度慢

由于内存碎片的存在，需要维护一个空闲链表，极有可能发生每次需要遍历到链表的最后才能获得合适的内存空间。 我们需要用一个链表来维护，哪些空间可以分配对象，很有可能需要遍历这个链表到最后，才能发现这块空间足够我们去创建一个对象。如下图，遍历到最后才发现有足够的空间分配3个字节的对象了。如果链表很长，遍历也会花费较长的时间。

复制算法

复制算法的核心思想是：

1.准备两块空间From空间和To空间，每次在对象分配阶段，只能使用其中一块空间（From空间）。

对象A首先分配在From空间：

2.在垃圾回收GC阶段，将From中存活对象复制到To空间。

在垃圾回收阶段，如果对象A存活，就将其复制到To空间。然后将From空间直接清空。

3.将两块空间的From和To名字互换。

接下来将两块空间的名称互换，下次依然在From空间上创建对象。

完整的复制算法的例子：

1.将堆内存分割成两块From空间 To空间，对象分配阶段，创建对象。

2.GC阶段开始，将GC Root搬运到To空间

3.将GC Root关联的对象，搬运到To空间

4.清理From空间，并把名称互换

优点：

• 吞吐量高，复制算法只需要遍历一次存活对象复制到To空间即可，比标记-整理算法少了一次遍历的过程，因而性能较好，但是不如标记-清除算法，因为标记清除算法不需要进行对象的移动
• 不会发生碎片化，复制算法在复制之后就会将对象按顺序放入To空间中，所以对象以外的区域都是可用空间，不存在碎片化内存空间。

缺点：

内存使用效率低，每次只能让一半的内存空间来为创建对象使用。

标记整理算法

标记整理算法也叫标记压缩算法，是对标记清理算法中容易产生内存碎片问题的一种解决方案。

核心思想分为两个阶段：

1.标记阶段，将所有存活的对象进行标记。Java中使用可达性分析算法，从GC Root开始通过引用链遍历出所有存活对象。

2.整理阶段，将存活对象移动到堆的一端。清理掉存活对象的内存空间。

优点：

• 内存使用效率高，整个堆内存都可以使用，不会像复制算法只能使用半个堆内存
• 不会发生碎片化，在整理阶段可以将对象往内存的一侧进行移动，剩下的空间都是可以分配对象的有效空间

缺点：

整理阶段的效率不高，整理算法有很多种，比如Lisp2整理算法需要对整个堆中的对象搜索3次，整体性能不佳。可以通过Two-Finger、表格算法、ImmixGC等高效的整理算法优化此阶段的性能。

分代垃圾回收算法

现代优秀的垃圾回收算法，会将上述描述的垃圾回收算法组合进行使用，其中应用最广的就是分代垃圾回收算法(Generational GC)。

分代垃圾回收将整个内存区域划分为年轻代和老年代：

1、分代回收时，创建出来的对象，首先会被放入Eden伊甸园区。

2、随着对象在Eden区越来越多，如果Eden区满，新创建的对象已经无法放入，就会触发年轻代的GC，称为Minor GC或者Young GC。

Minor GC会把需要eden中和From需要回收的对象回收，把没有回收的对象放入To区。

3、接下来，S0会变成To区，S1变成From区。当eden区满时再往里放入对象，依然会发生Minor GC。

此时会回收eden区和S1(from)中的对象，并把eden和from区中剩余的对象放入S0。

注意：每次Minor GC中都会为对象记录他的年龄，初始值为0，每次GC完加1。

4、如果Minor GC后对象的年龄达到阈值（最大15，默认值和垃圾回收器有关），对象就会被晋升至老年代。

当老年代中空间不足，无法放入新的对象时，先尝试minor gc如果还是不足，就会触发Full GC，Full GC会对整个堆进行垃圾回收。

如果Full GC依然无法回收掉老年代的对象，那么当对象继续放入老年代时，就会抛出Out Of Memory异常。

5垃圾回收器

为什么分代GC算法要把堆分成年轻代和老年代？首先我们要知道堆内存中对象的特性：

• 系统中的大部分对象，都是创建出来之后很快就不再使用可以被回收，比如用户获取订单数据，订单数据返回给用户之后就可以释放了。
• 老年代中会存放长期存活的对象，比如Spring的大部分bean对象，在程序启动之后就不会被回收了。
• 在虚拟机的默认设置中，新生代大小要远小于老年代的大小。

分代GC算法将堆分成年轻代和老年代主要原因有：

1、可以通过调整年轻代和老年代的比例来适应不同类型的应用程序，提高内存的利用率和性能。

2、新生代和老年代使用不同的垃圾回收算法，新生代一般选择复制算法，老年代可以选择标记-清除和标记-整理算法，由程序员来选择灵活度较高。

3、分代的设计中允许只回收新生代（minor gc），如果能满足对象分配的要求就不需要对整个堆进行回收(full gc),STW时间就会减少。

年轻代-Serial垃圾回收器

回收年代和算法：

年轻代

复制算法

优点

单CPU处理器下吞吐量非常出色

缺点

多CPU下吞吐量不如其他垃圾回收器，堆如果偏大会让用户线程处于长时间的等待

适用场景

Java编写的客户端程序或者硬件配置有限的场景

老年代-SerialOld垃圾回收器

SerialOld是Serial垃圾回收器的老年代版本，采用单线程串行回收

-XX:+UseSerialGC 新生代、老年代都使用串行回收器。

回收年代和算法：

老年代

标记-整理算法

优点

单CPU处理器下吞吐量非常出色

缺点

多CPU下吞吐量不如其他垃圾回收器，堆如果偏大会让用户线程处于长时间的等待

适用场景

与Serial垃圾回收器搭配使用，或者在CMS特殊情况下使用

年轻代-ParNew垃圾回收器

ParNew垃圾回收器本质上是对Serial在多CPU下的优化，使用多线程进行垃圾回收

-XX:+UseParNewGC 新生代使用ParNew回收器， 老年代使用串行回收器

回收年代和算法：

年轻代

复制算法

优点

多CPU处理器下停顿时间较短

缺点

吞吐量和停顿时间不如G1，所以在JDK9之后不建议使用

适用场景

JDK8及之前的版本中，与CMS老年代垃圾回收器搭配使用

老年代- CMS(Concurrent Mark Sweep)垃圾回收器

CMS垃圾回收器关注的是系统的暂停时间，允许用户线程和垃圾回收线程在某些步骤中同时执行，减少了用户线程的等待时间。

参数：XX:+UseConcMarkSweepGC

回收年代和算法：

老年代

标记清除算法

优点

系统由于垃圾回收出现的停顿时间较短，用户体验好

缺点

1、内存碎片问题

2、退化问题

3、浮动垃圾问题

适用场景

大型的互联网系统中用户请求数据量大、频率高的场景，比如订单接口、商品接口等

CMS执行步骤：

1.初始标记，用极短的时间标记出GC Roots能直接关联到的对象。

2.并发标记, 标记所有的对象，用户线程不需要暂停。

3.重新标记，由于并发标记阶段有些对象会发生了变化，存在错标、漏标等情况，需要重新标记。

4.并发清理，清理死亡的对象，用户线程不需要暂停。

缺点：

1、CMS使用了标记-清除算法，在垃圾收集结束之后会出现大量的内存碎片，CMS会在Full GC时进行碎片的整理。这样会导致用户线程暂停，可以使用-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=N 参数（默认0）调整N次Full GC之后再整理。

2.、无法处理在并发清理过程中产生的"浮动垃圾"，不能做到完全的垃圾回收。

3、如果老年代内存不足无法分配对象，CMS就会退化成Serial Old单线程回收老年代。

年轻代-Parallel Scavenge垃圾回收器

Parallel Scavenge是JDK8默认的年轻代垃圾回收器，多线程并行回收，关注的是系统的吞吐量。具备自动调整堆内存大小的特点。

回收年代和算法：

年轻代

复制算法

优点

吞吐量高，而且手动可控。为了提高吞吐量，虚拟机会动态调整堆的参数

缺点

不能保证单次的停顿时间

适用场景

后台任务，不需要与用户交互，并且容易产生大量的对象。比如：大数据的处理，大文件导出

常用参数：

Parallel Scavenge允许手动设置最大暂停时间和吞吐量。Oracle官方建议在使用这个组合时，不要设置堆内存的最大值，垃圾回收器会根据最大暂停时间和吞吐量自动调整内存大小。

• 最大暂停时间，-XX:MaxGCPauseMillis=n 设置每次垃圾回收时的最大停顿毫秒数
• 吞吐量，-XX:GCTimeRatio=n 设置吞吐量为n（用户线程执行时间 = n/n + 1）
• 自动调整内存大小, -XX:+UseAdaptiveSizePolicy设置可以让垃圾回收器根据吞吐量和最大停顿的毫秒数自动调整内存大小

老年代-Parallel Old垃圾回收器

Parallel Old是为Parallel Scavenge收集器设计的老年代版本，利用多线程并发收集。

参数： -XX:+UseParallelGC 或

​ -XX:+UseParallelOldGC可以使用Parallel Scavenge + Parallel Old这种组合。

回收年代和算法：

老年代

标记-整理算法

优点

并发收集，在多核CPU下效率较高

缺点

暂停时间会比较长

适用场景

与Parallel Scavenge配套使用

G1垃圾回收器

JDK9之后默认的垃圾回收器是G1（Garbage First）垃圾回收器。Parallel Scavenge关注吞吐量，允许用户设置最大暂停时间 ，但是会减少年轻代可用空间的大小。CMS关注暂停时间，但是吞吐量方面会下降。

而G1设计目标就是将上述两种垃圾回收器的优点融合：

1.支持巨大的堆空间回收，并有较高的吞吐量。

2.支持多CPU并行垃圾回收。

3.允许用户设置最大暂停时间。

JDK9之后强烈建议使用G1垃圾回收器。

G1的整个堆会被划分成多个大小相等的区域，称之为区Region，区域不要求是连续的。分为Eden、Survivor、Old区。Region的大小通过堆空间大小/2048计算得到，也可以通过参数-XX:G1HeapRegionSize=32m指定(其中32m指定region大小为32M)，Region size必须是2的指数幂，取值范围从1M到32M。

G1垃圾回收有两种方式：

1、年轻代回收（Young GC）

2、混合回收（Mixed GC）

年轻代回收

年轻代回收（Young GC），回收Eden区和Survivor区中不用的对象。会导致STW，G1中可以通过参数

-XX:MaxGCPauseMillis=n（默认200） 设置每次垃圾回收时的最大暂停时间毫秒数，G1垃圾回收器会尽可能地保证暂停时间。

1、新创建的对象会存放在Eden区。当G1判断年轻代区不足（max默认60%），无法分配对象时需要回收时会执行Young GC。

2、标记出Eden和Survivor区域中的存活对象，

3、根据配置的最大暂停时间选择某些区域将存活对象复制到一个新的Survivor区中（年龄+1），清空这些区域。

G1在进行Young GC的过程中会去记录每次垃圾回收时每个Eden区和Survivor区的平均耗时，以作为下次回收时的参考依据。这样就可以根据配置的最大暂停时间计算出本次回收时最多能回收多少个Region区域了。

比如 -XX:MaxGCPauseMillis=n（默认200），每个Region回收耗时40ms，那么这次回收最多只能回收4个Region。

4、后续Young GC时与之前相同，只不过Survivor区中存活对象会被搬运到另一个Survivor区。

5、当某个存活对象的年龄到达阈值（默认15），将被放入老年代。

6、部分对象如果大小超过Region的一半，会直接放入老年代，这类老年代被称为Humongous区。比如堆内存是4G，每个Region是2M，只要一个大对象超过了1M就被放入Humongous区，如果对象过大会横跨多个Region。

7、多次回收之后，会出现很多Old老年代区，此时总堆占有率达到阈值时

（-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent默认45%）会触发混合回收MixedGC。回收所有年轻代和部分老年代的对象以及大对象区。采用复制算法来完成。

混合回收

混合回收分为：初始标记（initial mark）、并发标记（concurrent mark）、最终标记（remark或者Finalize Marking）、并发清理（cleanup）

G1对老年代的清理会选择存活度最低的区域来进行回收，这样可以保证回收效率最高，这也是G1（Garbage first）名称的由来。

G1对老年代的清理会选择存活度最低的区域来进行回收，这样可以保证回收效率最高，这也是G1（Garbage first）名称的由来。最后清理阶段使用复制算法，不会产生内存碎片。

注意：如果清理过程中发现没有足够的空Region存放转移的对象，会出现Full GC。单线程执行标记-整理算法，此时会导致用户线程的暂停。所以尽量保证应该用的堆内存有一定多余的空间。

G1 -- Garbage First 垃圾回收器

参数1： -XX:+UseG1GC 打开G1的开关，JDK9之后默认不需要打开

参数2：-XX:MaxGCPauseMillis=毫秒值 最大暂停的时

回收年代和算法：

年轻代+老年代

复制算法

优点

对比较大的堆如超过6G的堆回收时，延迟可控

不会产生内存碎片

并发标记的SATB算法效率高

缺点

JDK8之前还不够成熟

适用场景

JDK8最新版本、JDK9之后建议默认使用

总结

垃圾回收器的组合关系虽然很多，但是针对几个特定的版本，比较好的组合选择如下：

JDK8及之前：

ParNew + CMS（关注暂停时间）、Parallel Scavenge + Parallel Old (关注吞吐量)、 G1（JDK8之前不建议，较大堆并且关注暂停时间）

JDK9之后:

G1（默认）

从JDK9之后，由于G1日趋成熟，JDK默认的垃圾回收器已经修改为G1，所以强烈建议在生产环境上使用G1。

G1的实现原理将在《原理篇》中介绍，更多前沿技术ZGC、GraalVM将在《高级篇》中介绍。

（G1强大）