一文理清JVM和GC（上）[通俗易懂]

大家好，我是小菜，一个渴望在互联网行业做到蔡不菜的小菜。可柔可刚，点赞则柔，白嫖则刚！
死鬼~看完记得给我来个三连哦！

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本文主要介绍 JVM和GC解析
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创作不易，白嫖无义！

一、JVM内存体系

其中方法区和堆被JVM中多个线程共享，比如类的静态常量就被存放在方法区，供类对象之间共享。

虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器是每个线程独立拥有的，不会与其他线程共享。

所以Java在通过new创建一个类对象实例的时候，一方面会在虚拟机栈中创建一个对该对象的引用，另一方面会在堆上创建类对象的实例，然后将对象引用指向该对象的实例。对象引用存放在每一个方法对应的栈帧中。

• 虚拟机栈：虚拟机栈中执行每个方法的时候，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，方法出口等信息。
• 本地方法栈：与虚拟机栈发挥的作用相似，相比于虚拟机栈为Java方法服务，本地方法栈为虚拟机使用的Native方法服务，执行每个本地方法的时候，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，方法出口等信息。
• 方法区：它用于存储已被虚拟机加载的类信息，常量，静态变量，即时编译器编译后的代码等数据，方法区在JDK1.7版本及之前称为永久代，从JDK1.8之后永久代被移除。
• 堆：堆是Java对象的存储区域，任何new字段分配的Java对象实例和数组，都被分配在了堆上，Java堆可使用 - Xms 和-Xmx 进行内存控制，从JDK1.7版本之后，运行时常量池从方法区移到了堆上。
• 程序计数器：指示Java虚拟机下一条需要执行的字节码指令。

二、JAVA8之后的JVM

从图中我们可以看出JAVA8的JVM 用元空间取代了永久代

三、GC作用域

四、常见垃圾回收算法

引用计数法：

JVM的实现一般不采用这种方式

缺点：

• 每次对对象赋值时均要维护引用计数器，且计数器本身也有一定的消耗；
• 较难处理循环引用；

复制算法：

Java 堆从GC的角度可以细分为：新生代（Eden区、From Survivor区 和 To Survivor区）和 老年代。
特点：
复制算法不会产生内存碎片，但会占用空间。用于新生代。

MinorGC的过程（复制 –> 清空 –> 互换）：

1. 复制： （Eden、SurvivorFrom 复制到 SurvivorTo，年龄加1）
   首先，当Eden区满的时候会触发第一次GC，把还活着的对象拷贝到SurvivorFrom区，当Eden区再次触发GC的时候会扫描Eden区域和From区域，对这两个区域进行垃圾回收，经过这次回收后还存活的对象，则直接复制到To区域（如果有对象的年龄已经到达了老年的标准，则复制到老年代区），同时把这些对象的年龄加1。
2. 清空：（清空Eden、SurvivorFrom）
   清空Eden和SurvivorFrom中的对象，也即复制之后有交换，谁空谁是to。
3. 互换：(SurvivorTo和SurvivorFrom 互换)
   最后，SurvivorTo和SurvivorFrom 互换，原SurvivorTo成为下一次GC是的SurvivorFrom区。

标记清除法

算法分成标记和清除两个阶段，先标记出要回收的对象，然后统一回收这些。
特点：
不会占用额外空间，但会扫描两次，耗时，容易产生碎片，用于老年代

标记压缩法

优点：
没有内存碎片，可以利用bump
缺点：
需要移动对象的成本，用于老年代
原理：

标记：与标记清除一样

压缩：再次扫描，并往一段滑动存活对象

五、判断对象是否可回收

引用计数法

Java中，引用和对象是有关联的。如果要操作对象则必须用引用进行。
因此，很显然的一个方法就是通过引用计数来判断一个对象是否可以回收。简单来说就是给对象添加一个引用计数器。每当有一个地方引用它，计数器的值加1，每当有一个引用失效时，计数器的值减1。
任何时刻计数器值为0的对象就是不可能再被使用的，那么这个对象就是可回收对象。
缺点：

很难解决对象之间相互循环引用的问题

枚举根节点做可达性分析(根搜索路径)

所谓GC roots或者说tracing GC 的 根集合 就是一组必须活跃的引用。
基本思路就是通过一系列名为GC Root 的对象作为起始点，从这个被称为GC Roots的对象开始向下搜索。

如GC Roots没有任何引用链相连是，则说明此对象不可用。也即给定一个集合的引用作为根出发，通过引用关系

哪些可以做GCRoots对象

• 虚拟机栈（栈帧中的局部变量区，也叫做局部变量表）
• 方法区中的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N（Native方法）引用的对象

六、JVM的参数类型

1）标配参数

• java -version
• java -help
  
  

  

2）X参数

• java -Xint -version ：解释执行
• java -Xcomp -version ：第一次使用就编译成本地代码
• java -Xmixed ：混合模式
  
  

  

3）XX参数

• Boolean类型

-XX：+ 或者 - 某个属性值（+：表示开启，-：表示关闭）
例子：
-XX: +PrintGCDetails： 开启打印GC收集细节
-XX: -PrintGCDetails： 关闭打印GC收集细节
-XX: +UseSerialGC： 开启串行垃圾收集器
-XX: -UseSerialGC：关闭串行垃圾收集器

• KV设置类型

-XX: 属性key = 属性value
例子：
-XX: MetaspaceSize = 128m：设置元空间大小为128m
-XX:MaxTenuringThreshold = 15：控制新生代需要经历多少次GC晋升到老年代中的最大阈值

• jinfo -查看当前运行程序的配置

公式：jinfo -flag 配置项 进程编号
例子：

1. 查看初始堆大小：

   

2. 查看其他参数

   

3. 查看使用哪种垃圾回收器

   

两个经典参数

• -Xms 等价于 -XX: InitialHeapSize

• -Xmx 等价于 -XX: MaxHeapSize

七、查看JVM默认值

• -XX:+PrintFlagsInitial： 查看默认初始值

  • java -XX: +PrintFlagsInitial -version

  • java -XX: +PrintFlagsInitial

    

• -XX:+PrintFlagsFinal ：查看修改更新

  • java -XX:+PrintFlagsFinal
  • java -XX:+PrintFlagsFinal -version
  • java -XX:+PrintCommandedLineFlags
    
    

    

八、常用的配置参数

经典案例设置：
-Xms128m -Xmx4096m -Xss1024k -XX:Metaspacesize=512m -XX:+PrintCommandLineFlags -XX:PrintGCDetails -XX:UseSerialGC

• -Xms

初始化大小内存，默认为物理内存1/64
等价于 -XX:InitialHeapSize

• -Xmx

最大分配内存，默认为物理内存1/4
等价于 -XX:MaxHeapSize

• -Xss

设置单个线程的大小，一般默认为5112K~1024K
等价于 -XX:ThreadStackSize

• -Xmn

设置年轻代大小

• -XX:MetaspaceSize

设置元空间大小

元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现，不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制。

• -XX:+PrintGCdetails

输出详细的GC收集日志信息

• -XX:SurvivorRatio

设置新生代中eden和S0/S1空间的比例
默认：
-XX:SurvivorRatio=8 –> Eden:S0:S1=8:1:1
修改：
-XX:SurvivorRatio=4 –> Eden:S0:S1=4:1:1
SurvivorRatio值就是设置eden区的比例占多少，S0/S1相同

• -XX:NewRatio

设置年轻代与老年代在堆结构的占比
默认：
-XX:NewRatio=2： 新生代占1，老年代占2，年轻代占整个堆的1/3
修改：
-XX:NewRatio=4： 新生代占1，老年代占4，年轻代占整个堆的1/5
NewRatio值就是设置老年代的占比，剩下的1给新生代

• -XX:MaxTenuringThreshold

设置垃圾最大年龄
-XX:MaxTenuringThreshold=0：设置垃圾最大年龄。

如果设置为0的话，则年轻代对象不经过Survivor区，直接进入老年代。对于老年代比较多的应用，可以提高效率。如果将此值设置为一个较大值，则年轻代对象会在Survivor区进行多次复制，这样可以增加对象在年轻代的存活时间，增加年轻代被回收的概论。

九、强软弱虚

1）强引用

• 当内存不足，JVM开始垃圾回收，对于强引用的对象，就算出现了OOM也不会对该对象进行回收，`死都不收`
• 强引用是我们最常见的普通对象引用，只要还有强引用指向一个对象，就能表名对象还活着，垃圾收集器不会碰这种对象。在Java中最常见的就是强引用，把一个对象赋给一个引用变量，这个引用变量就是一个强引用。当一个对象被强引用变量引用时，它处于可达状态，它是不可能被垃圾回收机制回收的。即使该对象以后永远都不会被用到，JVM也不会回收。 因此强引用是造成Java内存泄漏的主要原因之一。
• 对于一个普通的对象，如果没有其他的引用关系，只要超过了引用的作用域或者显式地将相应（强）引用赋值为null，一般就是认为可以被垃圾收集（具体看垃圾收集策略）

public static void main(String[] args) {
        Object o1 = new Object();   //默认为强引用
        Object o2 = o1;     //引用赋值
        o1 = null;          //置空 让垃圾收集
        System.gc();
        System.out.println(o1);     // null
        System.out.println(o2);     // java.lang.Object@1540e19d
    }

2）软引用

• 软引用就是一种相对强引用弱化了一些的引用。需要用java.lang.ref.SoftReference类来实现，可以让对象豁免一些垃圾收集。
• 系统内存充足 -> 不会回收
• 系统内存不足 -> 会回收
• 软引用通常用在对内存敏感的程序中，比如高速缓存就有用到软引用，内存够用的时候就保留，不够用就回收

    public static void main(String[] args) {
        Object o1 = new Object();
        SoftReference softReference = new SoftReference(o1);
        o1 = null;
        System.gc();
        System.out.println(o1);
        System.out.println(softReference.get());
    }

3）弱引用

• 弱引用需要用java.lang.ref.WeakReference类来实现，它比软引用的生存期更短
• 对于弱引用的对象，只要垃圾回收机制一运行，不管JVM的内存空间是否足够，都会回收该对象占用的内存。

    public static void main(String[] args) {
        Object o1 = new Object();
        WeakReference weakReference = new WeakReference(o1);
        o1 = null;
        System.gc();
        System.out.println(o1);                     //null
        System.out.println(weakReference.get());    //null
    }

5）虚引用

• 虚引用需要java.lang.ref.PhantomReference类来实现。
• 形如虚设，它不会决定对象的生命周期。
• 如果一个对象持有虚引用，那么它就和没有任何一样，在任何时候都可能被垃圾回收器回收，它不能单独使用也不能通过它来访问对象，虚引用必须和引用队列（ReferenceQueue）联合使用。
• 虚引用的主要作用是跟踪对象被垃圾回收的状态，仅仅是提供了一种确保对象被finalize以后，做某些事情的机制。PhantomReference的get()方法总是返回null，因此无法访问对应的引用对象。其意义在于说明一个对象已经进入finalization阶段，可以被gc回收，用来实现比finalization机制更灵活的回收操作。

public static void main(String[] args) {
        Object o1 = new Object();
        ReferenceQueue<Object> referenceQueue = new ReferenceQueue<>();
        PhantomReference<Object> phantomReference = new PhantomReference<>(o1,referenceQueue);
        System.out.println(o1);                         //java.lang.Object@1540e19d
        System.out.println(phantomReference.get());     //null
        System.out.println(referenceQueue.poll());      //null
    }

扩展：软弱引用适用场景

假如有一个引用需要读取大量的本地图片
存在问题：

1. 如果每次读取图片都从硬盘读取则会严重影响性能。
2. 如果一次性全部加载到内存中有可能造成内存溢出。

解决思路：
用一个HashMap来保存图片的路径和相应图片对象关联的软引用之间的映射关系，在内存不足时，JVM会自动回收这些缓存图片对象所占用的空间，从而有效地避免了OOM的问题。
Map<String,SoftReference> imgMap = new HashMap<String,SoftReference>()

WeakHashMap：

public static void main(String[] args) {
        WeakHashMap<Integer,String> weakHashMap = new WeakHashMap<>();
        Integer key = new Integer(1);
        weakHashMap.put(key,"测试1");
        System.out.println(weakHashMap);    //{1=测试1}
        key=null;
        System.out.println(weakHashMap);    //{1=测试1}
        System.gc();
        System.out.println(weakHashMap+"\t"+weakHashMap.size());    //{} 0
    }

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今天的你多努力一点，明天的你就能少说一句求人的话！

我是小菜，一个和你一起学习的男人。 💋