JVM内存模型

jvm内存模型概述
一、Jvm 的介绍
1、JVM体系结构

2、JVM运行时数据区

3、JVM内存模型
JVM运行时内存 = 共享内存区 + 线程内存区

3.1、共享内存区
共享内存区 = 持久带(方法区 + 其他)+ 堆(Old Space + Young Space(den + S0 + S1))

持久代：
JVM用持久带（Permanent Space）实现方法区，主要存放所有已加载的类信息，方法信息，常量池等等。可通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize来指定持久带初始化值和最大值。Permanent Space并不等同于方法区，只不过是Hotspot JVM用Permanent Space来实现方法区而已，有些虚拟机没有Permanent Space而用其他机制来实现方法区。
堆(heap):
主要用来存放类的对象实例信息（包括new操作实例化的对象和定义的数组）。
堆分为Old Space（又名，Tenured Generation）和Young Space。Old Space主要存放应用程序中生命周期长的存活对象；Eden(伊甸园)主要存放新生的对象；S0和S1是两个大小相同的内存区域，主要存放每次垃圾回收后Eden存活的对象，作为对象从Eden过渡到Old Space的缓冲地带（S是指英文单词Survivor Space）。堆之所以要划分区间，是为了方便对象创建和垃圾回收.

3.2、线程内存区

线程内存区（JVM栈）：
线程内存区=单个线程内存+单个线程内存+.......
单个线程内存=PC Regster+JVM栈+本地方法栈
JVM栈=栈帧+栈帧+.....
栈帧=局域变量区+操作数区+帧数据区
在Java中，一个线程会对应一个JVM栈(JVM Stack)，JVM栈里记录了线程的运行状态。JVM栈以栈帧为单位组成，一个栈帧代表一个方法调用。栈帧由三部分组成：局部变量区、操作数栈、帧数据区。
线程在栈区，不能共享数据，只能通过复制共享区的数据作为一块缓存，所有多线程写会有bug，voliate使得取到的数据不做缓存，是实时更新的。关键字 volatile 是轻量级的同步机制。
Volatile 变量对于all线程的可见性，指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他 线程来说是可见的、立即得知的。 Volatile 变量在多线程下不一定安全，因为他只有可见性、有序性，但是没有原子性。

二、JVM内存空间管理
JVM把内存划分了如下几个区域：

共享内存区 = 持久带(方法区 + 其他)+ 堆(Old Space + Young Space(den + S0 + S1))；
Java 内存模型和线程:
每个线程都有一个工作内存，线程只可以修改自己工作内存中的数据，然后再同步回主内存，主内存由多个内存共享。

2.1 方法区（共享内存区的持久带）
方法区 (又称为持久代)：要加载的类的信息（名称、修饰符等）、类中的静态变量、类中定义为final类型的常量、类中的Field信息、类中的方法信息。方法区域也是全局共享的，当开发人员调用类对象中的getName、isInterface等方法来获取信息时，这些数据都来源于方法区。
在一定条件下它也会被GC，当方法区域要使用的内存超过其允许的大小时，会抛出OutOfMemory：PermGen Space异常。的错误信息。在Sun JDK中这块区域对应Permanet Generation，，默认最小值为16MB，最大值为64MB，可通过-XX:PermSize及-XX:MaxPermSize来指定最小值和最大值。
在Hotspot虚拟机中，这块区域对应的是Permanent Generation(持久代)，一般的，方法区上执行的垃圾收集是很少的，因此方法区又被称为持久代的原因之一，但这也不代表着在方法区上完全没有垃圾收集，其上的垃圾收集主要是针对常量池的内存回收和对已加载类的卸载。在方法区上进行垃圾收集，条件苛刻而且相当困难，关于其回后面再介绍。
运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，用于存储编译期就生成的字面常量、符号引用、翻译出来的直接引用（符号引用就是编码是用字符串表示某个变量、接口的位置，直接引用就是根据符号引用翻译出来的地址，将在类链接阶段完成翻译）；
运行时常量池除了存储编译期常量外，也可以存储在运行时间产生的常量，比如String类的intern()方法，作用是String维护了一个常量池，如果调用的字符“abc”已经在常量池中，则返回池中的字符串地址，否则，新建一个常量加入池中，并返回地址。JVM方法区的相关参数，最小值：--XX:PermSize；最大值 --XX:MaxPermSize。

2.2 堆区(堆区由所有线程共享)
堆用于存储对象实例及数组值，可以认为Java中所有通过new创建的对象的内存都在此分配，堆区由所有线程共享。Heap中对象所占用的内存由GC进行回收，在32位操作系统上最大为2GB，在64位操作系统上则没有限制，其大小可通过-Xms和-Xmx来控制，-Xms为JVM启动时申请的最小Heap内存，默认为物理内存的1/64但小于1GB；-Xmx为JVM可申请的最大Heap内存，默认为物理内存的1/4但小于1GB，默认当空余堆内存小于40%时，JVM会增大Heap到-Xmx指定的大小，可通过-XX:MinHeapFreeRatio=来指定这个比例；当空余堆内存大于70%时，JVM会减小Heap的大小到-Xms指定的大小，可通过-XX:MaxHeapFreeRatio=来指定这个比例，对于运行系统而言，为避免在运行时频繁调整Heap 的大小，通常将-Xms和-Xmx的值设成一样。
堆区是理解JavaGC机制最重要的区域。在JVM所管理的内存中，堆区是最大的一块，堆区也是JavaGC机制所管理的主要内存区域，堆区由所有线程共享，在虚拟机启动时创建。堆区用来存储对象实例及数组值，可以认为java中所有通过new创建的对象都在此分配。

2.3 本地方法栈（Native Method Stack）
本地方法栈用于支持native方法的执行，存储了每个native方法调用的状态。本地方法栈和虚拟机方法栈运行机制一致，它们唯一的区别就是，虚拟机栈是执行Java方法的，而本地方法栈是用来执行native方法的，在很多虚拟机中（如Sun的JDK默认的HotSpot虚拟机），会将本地方法栈与虚拟机栈放在一起使用。

2.4 虚拟机栈（JVM Stack）(线程私有)
JVM方法栈：为线程私有，其在内存分配上非常高效。当方法运行完毕时，其对应的栈帧所占用的内存也会自动释放。当JVM方法栈空间不足时，会抛出StackOverflowError的错误，在Sun JDK中可以通过-Xss来指定其大小。
虚拟机栈占用的是操作系统内存，每个线程都对应着一个虚拟机栈，它是线程私有的，而且分配非常高效。一个线程的每个方法在执行的同时，都会创建一个栈帧（Statck Frame），栈帧中存储的有局部变量表、操作站、动态链接、方法出口等，当方法被调用时，栈帧在JVM栈中入栈，当方法执行完成时，栈帧出栈。
局部变量表中存储着方法的相关局部变量，包括各种基本数据类型，对象的引用，返回地址等。在局部变量表中，只有long和double类型会占用2个局部变量空间（Slot，对于32位机器，一个Slot就是32个bit），其它都是1个Slot。需要注意的是，局部变量表是在编译时就已经确定好的，方法运行所需要分配的空间在栈帧中是完全确定的，在方法的生命周期内都不会改变。
虚拟机栈中定义了两种异常，如果线程调用的栈深度大于虚拟机允许的最大深度，则抛出StatckOverFlowError（栈溢出）；不过多数Java虚拟机都允许动态扩展虚拟机栈的大小(有少部分是固定长度的)，所以线程可以一直申请栈，直到内存不足，此时，会抛出OutOfMemoryError（内存溢出）。

2.5 程序计数器（Program Counter Register)(线程私有)
程序计数器是一个比较小的内存区域，可能是CPU寄存器或者操作系统内存，其主要用于指示当前线程所执行的字节码执行到了第几行，可以理解为是当前线程的行号指示器。字节码解释器在工作时，会通过改变这个计数器的值来取下一条语句指令。 每个程序计数器只用来记录一个线程的行号，所以它是线程私有（一个线程就有一个程序计数器）的。
如果程序执行的是一个Java方法，则计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令地址；如果正在执行的是一个本地（native，由C语言编写完成）方法，则计数器的值为Undefined，由于程序计数器只是记录当前指令地址，所以不存在内存溢出的情况，因此，程序计数器也是所有JVM内存区域中唯一一个没有定义OutOfMemoryError的区域。

三、内存溢出与内存泄漏
内存泄漏：分配出去的内存回收不了
内存溢出：指系统内存不够用了

1、堆溢出
可以分为：内存泄漏和内存溢出，这两种情况都会抛出OutOfMemoryError:java heap space异常：

a、内存泄漏：
内存泄漏是指对象实例在新建和使用完毕后，仍然被引用，没能被垃圾回收释放，一直积累，直到没有剩余内存可用。如果内存泄露，我们要找出泄露的对象是怎么被GC ROOT引用起来，然后通过引用链来具体分析泄露的原因。分析内存泄漏的工具有：Jprofiler，visualvm等。

public class OOMTest {
public static void main(String[] args) {

    List<UUID> list = new ArrayList<UUID>();  
   while(true){  
        list.add(UUID.randomUUID());  
    }  
}        

}
看看控制台的输出结果，因为我这边的JVM设置的参数内存足够大，所以需要等待一定的时间，才能看到效果：

b、内存溢出
内存溢出是指当我们新建一个实力对象时，实例对象所需占用的内存空间大于堆的可用空间。如果出现了内存溢出问题，这往往是程序本生需要的内存大于了我们给虚拟机配置的内存，这种情况下，我们可以采用调大-Xmx来解决这种问题。

public class OOMTest_1 {

public static void main(String args[]){  
    List<byte[]> byteList = new ArrayList<byte[]>();  
    byteList.add(new byte[1000 * 1024 * 1024]);  
}  

}
2、栈溢出
栈（JVM Stack）存放主要是栈帧( 局部变量表, 操作数栈 , 动态链接 , 方法出口信息 )的地方。注意区分栈和栈帧：栈里包含栈帧。
与线程栈相关的内存异常有两个：:
a：StackOverflowError(方法调用层次太深，内存不够新建栈帧)
b：OutOfMemoryError（线程太多，内存不够新建线程）

a、java.lang.StackOverflowError
栈溢出抛出java.lang.StackOverflowError错误，出现此种情况是因为方法运行的时候，请求新建栈帧时，栈所剩空间小于栈帧所需空间。例如，通过递归调用方法,不停的产生栈帧,一直把栈空间堆满,直到抛出异常 ：

public class SOFTest {

public void stackOverFlowMethod(){  
    stackOverFlowMethod();  
}  
/** 
    * 通过递归调用方法,不停的产生栈帧,一直把栈空间堆满,直到抛出异常 ： 
    * @param args 
    */  
public static void main(String[] args) {  
    SOFTest sof = new SOFTest();  
    sof.stackOverFlowMethod();  
}  

}
b、OutOfMemoryError（暂不介绍）
四、JVM内存分配
Java对象所占用的内存主要在堆上实现，因为堆是线程共享的，因此在堆上分配内存时需要进行加锁，这就导致了创建对象的开销比较大。当堆上空间不足时，会出发GC，如果GC后空间仍然不足，则会抛出OutOfMemory异常。

为了提升内存分配效率，在年轻代的Eden区HotSpot虚拟机使用了两种技术来加快内存分配 ，分别是bump-the-pointer和TLAB（Thread-Local Allocation Buffers）。由于Eden区是连续的，因此bump-the-pointer技术的核心就是跟踪最后创建的一个对象，在对象创建时，只需要检查最后一个对象后面是否有足够的内存即可，从而大大加快内存分配速度；而对于TLAB技术是对于多线程而言的， 它会为每个新创建的线程在新生代的Eden Space上分配一块独立的空间，这块空间称为TLAB（Thread Local Allocation Buffer），其大小由JVM根据运行情况计算而得。可通过-XX:TLABWasteTargetPercent来设置其可占用的Eden Space的百分比，默认是1%。在TLAB上分配内存不需要加锁，一般JVM会优先在TLAB上分配内存，如果对象过大或者TLAB空间已经用完，则仍然在堆上进行分配。因此，在编写程序时，多个小对象比大的对象分配起来效率更高。可在启动参数上增加-XX:+PrintTLAB来查看TLAB空间的使用情况。

对象如果在年轻代存活了足够长的时间而没有被清理掉（即在几次Minor GC后存活了下来），则会被复制到年老代，年老代的空间一般比年轻代大，能存放更多的对象，在年老代上发生的GC次数也比年轻代少。当年老代内存不足时，将执行Major GC，也叫 Full GC。
可以使用-XX:+UseAdaptiveSizePolicy开关来控制是否采用动态控制策略，如果动态控制，则动态调整Java堆中各个区域的大小以及进入老年代的年龄。如果对象比较大（比如长字符串或大数组），年轻代空间不足，则大对象会直接分配到老年代上（大对象可能触发提前GC，应少用，更应避免使用短命的大对象）。用 -XX:PretenureSizeThreshold来控制直接升入老年代的对象大小，大于这个值的对象会直接分配在老年代上。

五、内存的回收方式
1、收集器：引用计数收集器、跟踪收集器

1、引用计数收集器：

在上图中，ObjectA释放了对ObjectB的引用后，ObjectB的引用计数器变为0，此时可回收ObjectB所占有的内存。引用计数器需要在每次对象赋值时进行引用计数器的增减，他有一定消耗。另外，引用计数器对于循环引用的场景没有办法实现回收。例如在上面的例子中，如果ObjectB和ObjectC互相引用，那么即使ObjectA释放了对ObjectB和ObjectC的引用，也无法回收ObjectB、ObjectC，因此对于java这种会形成复杂引用关系的语言而言，引用计数器是非常不适合的，SunJDK在实现GC时也未采用这种方式。

2、 跟踪收集器实现算法：
跟踪收集器采用的为集中式的管理方式，会全局记录数据引用的状态。基于一定条件的触发（例如定时、空间不足时），执行时需要从根集合来扫描对象的引用关系，这可能会造成应用程序暂停。主要有复制（Copying）：年轻代的Eden区、标记-清除（Mark-Sweep）和标记-压缩（Mark-Compact）三种实现算法。

1、复制：
特征：当要回收的空间中存活对象较少时，复制算法会比较高效，其带来的成本是要增加一块空的内存空间及进行对象的移动。
停止-复制算法：它将可用内存按照容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中一块。 当这一块的内存用完了，则就将还存活的对象复制到另一块上面，然后再把已经使用过的内 存空间一次清理掉。商业虚拟机：将内存分为一块较大的 eden 空间和两块较小的 survivor 空间，默认比例是 8:1:1，即每次新生代中可用内存空间为整个新生代容量的 90%，每次使 用 eden 和其中一个 survivour。当回收时，将 eden 和 survivor 中还存活的对象一次性复制到 另外一块 survivor 上，最后清理掉 eden 和刚才用过的 survivor，若另外一块 survivor 空间没有足够内存空间存放上次新生代收集下来的存活对象时，这些对象将直接通过分配担保机制进入老年代。
复制采用的方式为从根集合扫描出存活的对象，并将找到的存活的对象复制到一块新的完全未被使用的空间中，如图所示：

复制收集器方式仅需要从根集合扫描所有存活对象，当要回收的空间中存活对象较少时，复制算法会比较高效（年轻代的Eden区就是采用这个算法），其带来的成本是要增加一块空的内存空间及进行对象的移动。

2、标记-清除：
特征：在空间中存活对象较多的情况下较为高效，但由于标记-清除采用的为直接回收不存活对象所占用的内存，因此会造成内存碎片。
标记-清除采用的方式为从根集合开始扫描，对存活的对象进行标记，标记完毕后，再扫描整个空间中未标记的对象，并进行清除，标记和清除过程如下图所示：

上图中蓝色的部分是有被引用的存活的对象，褐色部分没被引用的可回收的对象。在marking阶段为了mark对象，所有的对象都会被扫描一遍，扫描这个过程是比较耗时的。

清除阶段回收的是没有被引用的对象，存活的对象被保留。内存分配器会持有空闲空间的引用列表，当有分配请求时会查询空闲空间引用列表进行分配。标记-清除动作不需要进行对象移动，且仅对其不存活的对象进行处理。在空间中存活对象较多的情况下较为高效，但由于标记-清除直接回收不存活对象占用的内存，因此会造成内存碎片。

3、标记-压缩
特征：在标记-清除的基础上还须进行对象的移动，成本相对更高，好处则是不产生内存碎片。
标记-压缩和标记-清除一样，是对活的对象进行标记，但是在清除后的处理不一样，标记-压缩在清除对象占用的内存后，会把所有活的对象向左端空闲空间移动，然后再更新引用其对象的指针，如下图所示：

很明显，标记-压缩在标记-清除的基础上对存活的对象进行了移动规整动作，解决了内存碎片问题，得到更多连续的内存空间以提高分配效率，但由于需要对对象进行移动，因此成本也比较高。

总结：
JVM通过GC来回收堆和方法区中的内存，这个过程是自动执行的。说到Java GC机制，其主要完成3件事：确定哪些内存需要回收；确定什么时候需要执行GC；如何执行GC。JVM主要采用收集器的方式实现GC，主要的收集器有引用计数收集器和跟踪收集器。
垃圾回收算法:1.引用计数算法2. 追踪回收算法3.压缩回收算法4.复制回收算法5.按代回收算法。为什么要按代回收。Java对象的生命周期一般不长。

6、虚拟机中的GC过程
6.1 为什么要分代回收？
在一开始的时候，JVM的GC就是采用标记-清除-压缩方式进行的，这么做并不是很高效，因为当对象分配的越来越多时，对象列表也越来也大，扫描和移动越来越耗时，造成了内存回收越来越慢。然而，经过根据对java应用的分析，发现大部分对象的存活时间都非常短，只有少部分数据存活周期是比较长的，
分代收集：
新生代 停止-复制算法
老年代 标记-清理或标记-清除

6.2 虚拟机中GC的过程
经过上面介绍，我们已经知道了JVM为何要分代回收，下面我们就详细看一下整个回收过程。

1在初始阶段，新创建的对象被分配到Eden区，survivor的两块空间都为空。

当Eden区满了的时候，minor garbage(Minor GC年轻代垃圾回收机制) 被触发
2经过扫描与标记，存活的对象被复制到S0，不存活的对象被回收
3在下一次的Minor GC中，Eden区的情况和上面一致，没有引用的对象被回收，存活的对象被复制到survivor区。然而在survivor区，S0的所有的数据都被复制到S1，需要注意的是，在上次minor GC过程中移动到S0中的两个对象在复制到S1后其年龄要加1。此时Eden区S0区被清空，所有存活的数据都复制到了S1区，并且S1区存在着年龄不一样的对象，过程如下图所示：

4再下一次MinorGC则重复这个过程，这一次survivor的两个区对换，存活的对象被复制到S0，存活的对象年龄加1，Eden区和另一个survivor区被清空。

5下面演示一下Promotion过程，再经过几次Minor GC之后，当存活对象的年龄达到一个阈值之后（可通过参数配置，默认是8），就会被从年轻代Promotion到老年代。

6随着MinorGC一次又一次的进行，不断会有新的对象被promote到老年代。

7上面基本上覆盖了整个年轻代所有的回收过程。最终，MajorGC将会在老年代发生，老年代的空间将会被清除和压缩。

总结：
从上面的过程可以看出，Eden区是连续的空间，且Survivor总有一个为空。经过一次GC和复制，一个Survivor中保存着当前还活着的对象，而Eden区和另一个Survivor区的内容都不再需要了，可以直接清空，到下一次GC时，两个Survivor的角色再互换。因此，这种方式分配内存和清理内存的效率都极高，这种垃圾回收的方式就是著名的“停止-复制（Stop-and-copy）”清理法（将Eden区和一个Survivor中仍然存活的对象拷贝到另一个Survivor中），这不代表着停止复制清理法很高效，其实，它也只在这种情况下（基于大部分对象存活周期很短的事实）高效，如果在老年代采用停止复制，则是非常不合适的。老年代存储的对象比年轻代多得多，而且不乏大对象，对老年代进行内存清理时，如果使用停止-复制算法，则相当低效。一般，老年代用的算法是标记-压缩算法，即：标记出仍然存活的对象（存在引用的），将所有存活的对象向一端移动，以保证内存的连续。在发生Minor GC时，虚拟机会检查每次晋升进入老年代的大小是否大于老年代的剩余空间大小，如果大于，则直接触发一次Full GC，否则，就查看是否设置了-XX:+HandlePromotionFailure（允许担保失败），如果允许，则只会进行MinorGC，此时可以容忍内存分配失败；如果不允许，则仍然进行Full GC（这代表着如果设置-XX:+Handle PromotionFailure，则触发MinorGC就会同时触发Full GC，哪怕老年代还有很多内存，所以，最好不要这样做）。
关于方法区（共享内存区的持久代）即永久代的回收，永久代的回收有两种：常量池中的常量，无用的类信息，常量的回收很简单，没有引用了就可以被回收。对于无用的类进行回收，必须保证3点：

类的所有实例都已经被回收
加载类的ClassLoader已经被回收
类对象的Class对象没有被引用（即没有通过反射引用该类的地方）
永久代的回收并不是必须的，可以通过参数来设置是否对类进行回收。