1. JVM 內(nèi)存模型

JVM 內(nèi)存模型主要指運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)區(qū)，包括 5 個(gè)部分，如下圖所示。

• 棧也叫方法棧，是線(xiàn)程私有的，線(xiàn)程在執(zhí)行每個(gè)方法時(shí)都會(huì)同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)棧幀，用來(lái)存儲(chǔ)局部變量表、操作棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息。調(diào)用方法時(shí)執(zhí)行入棧，方法返回時(shí)執(zhí)行出棧。

• 本地方法棧與棧類(lèi)似，也是用來(lái)保存線(xiàn)程執(zhí)行方法時(shí)的信息，不同的是，執(zhí)行 Java 方法使用棧，而執(zhí)行 native 方法使用本地方法棧。

• 程序計(jì)數(shù)器保存著當(dāng)前線(xiàn)程所執(zhí)行的字節(jié)碼位置，每個(gè)線(xiàn)程工作時(shí)都有一個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)器。程序計(jì)數(shù)器為執(zhí)行 Java 方法服務(wù)，執(zhí)行 native 方法時(shí)，程序計(jì)數(shù)器為空。
  棧、本地方法棧、程序計(jì)數(shù)器這三個(gè)部分都是線(xiàn)程獨(dú)占的。

• 堆是 JVM 管理的內(nèi)存中最大的一塊，堆被所有線(xiàn)程共享，目的是為了存放對(duì)象實(shí)例，幾乎所有的對(duì)象實(shí)例都在這里分配。當(dāng)堆內(nèi)存沒(méi)有可用的空間時(shí)，會(huì)拋出 OOM 異常。根據(jù)對(duì)象存活的周期不同，JVM 把堆內(nèi)存進(jìn)行分代管理，由垃圾回收器來(lái)進(jìn)行對(duì)象的回收管理。

• 方法區(qū)也是各個(gè)線(xiàn)程共享的內(nèi)存區(qū)域，又叫非堆區(qū)。用于存儲(chǔ)已被虛擬機(jī)加載的類(lèi)信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)，JDK 1.7 中的永久代和 JDK 1.8 中的 Metaspace 都是方法區(qū)的一種實(shí)現(xiàn)。

2. JMM 內(nèi)存可見(jiàn)性

JMM 是 Java 內(nèi)存模型，與剛才講到的 JVM 內(nèi)存模型是兩回事，JMM 的主要目標(biāo)是定義程序中變量的訪問(wèn)規(guī)則，如下圖所示，所有的共享變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存中共享。每個(gè)線(xiàn)程有自己的工作內(nèi)存，工作內(nèi)存中保存的是主內(nèi)存中變量的副本，線(xiàn)程對(duì)變量的讀寫(xiě)等操作必須在自己的工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫(xiě)主內(nèi)存中的變量。

在多線(xiàn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，例如線(xiàn)程 A 給一個(gè)共享變量賦值后，由線(xiàn)程 B 來(lái)讀取這個(gè)值，A 修改完變量是修改在自己的工作區(qū)內(nèi)存中，B 是不可見(jiàn)的，只有從 A 的工作區(qū)寫(xiě)回主內(nèi)存，B 再?gòu)闹鲀?nèi)存讀取自己的工作區(qū)才能進(jìn)行進(jìn)一步的操作。由于指令重排序的存在，這個(gè)寫(xiě)—讀的順序有可能被打亂。因此 JMM 需要提供原子性、可見(jiàn)性、有序性的保證。

3. JMM 如何保證原子性、可見(jiàn)性，有序性

• 原子性
  JMM 保證對(duì)除 long 和 double 外的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類(lèi)型的讀寫(xiě)操作是原子性的。另外關(guān)鍵字 synchronized 也可以提供原子性保證。synchronized 的原子性是通過(guò) Java 的兩個(gè)高級(jí)的字節(jié)碼指令 monitorenter 和 monitorexit 來(lái)保證的。

• 可見(jiàn)性
  JMM 可見(jiàn)性的保證，一個(gè)是通過(guò) synchronized，另外一個(gè)就是 volatile。volatile 強(qiáng)制變量的賦值會(huì)同步刷新回主內(nèi)存，強(qiáng)制變量的讀取會(huì)從主內(nèi)存重新加載，保證不同的線(xiàn)程總是能夠看到該變量的最新值。

• 有序性
  對(duì)有序性的保證，主要通過(guò) volatile 和一系列 happens-before 原則。volatile 的另一個(gè)作用就是阻止指令重排序，這樣就可以保證變量讀寫(xiě)的有序性。
  happens-before 原則包括一系列規(guī)則，如：

程序順序原則，即一個(gè)線(xiàn)程內(nèi)必須保證語(yǔ)義串行性；
鎖規(guī)則，即對(duì)同一個(gè)鎖的解鎖一定發(fā)生在再次加鎖之前；
happens-before 原則的傳遞性、線(xiàn)程啟動(dòng)、中斷、終止規(guī)則等。

4. 類(lèi)加載機(jī)制

類(lèi)的加載指將編譯好的 Class 類(lèi)文件中的字節(jié)碼讀入內(nèi)存中，將其放在方法區(qū)內(nèi)并創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的 Class 對(duì)象。類(lèi)的加載分為加載、鏈接、初始化，其中鏈接又包括驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析三步。如下圖所示。

• 加載是文件到內(nèi)存的過(guò)程。通過(guò)類(lèi)的完全限定名查找此類(lèi)字節(jié)碼文件，并利用字節(jié)碼文件創(chuàng)建一個(gè) Class 對(duì)象。
• 驗(yàn)證是對(duì)類(lèi)文件內(nèi)容驗(yàn)證。目的在于確保 Class 文件符合當(dāng)前虛擬機(jī)要求，不會(huì)危害虛擬機(jī)自身安全。主要包括四種：文件格式驗(yàn)證，元數(shù)據(jù)驗(yàn)證，字節(jié)碼驗(yàn)證，符號(hào)引用驗(yàn)證。
• 準(zhǔn)備階段是進(jìn)行內(nèi)存分配。為類(lèi)變量也就是類(lèi)中由 static 修飾的變量分配內(nèi)存，并且設(shè)置初始值。這里要注意，初始值是 0 或者 null，而不是代碼中設(shè)置的具體值，代碼中設(shè)置的值是在初始化階段完成的。另外這里也不包含用 final 修飾的靜態(tài)變量，因?yàn)?final 在編譯的時(shí)候就會(huì)分配。
• 解析主要是解析字段、接口、方法。主要是將常量池中的符號(hào)引用替換為直接引用的過(guò)程。直接引用就是直接指向目標(biāo)的指針、相對(duì)偏移量等。
• 初始化，主要完成靜態(tài)塊執(zhí)行與靜態(tài)變量的賦值。這是類(lèi)加載最后階段，若被加載類(lèi)的父類(lèi)沒(méi)有初始化，則先對(duì)父類(lèi)進(jìn)行初始化。
  只有對(duì)類(lèi)主動(dòng)使用時(shí)，才會(huì)進(jìn)行初始化，初始化的觸發(fā)條件包括在創(chuàng)建類(lèi)的實(shí)例時(shí)、訪問(wèn)類(lèi)的靜態(tài)方法或者靜態(tài)變量時(shí)、Class.forName() 反射類(lèi)時(shí)、或者某個(gè)子類(lèi)被初始化時(shí)。

如上圖所示，淺綠的兩個(gè)部分表示類(lèi)的生命周期，就是從類(lèi)的加載到類(lèi)實(shí)例的創(chuàng)建與使用，再到類(lèi)對(duì)象不再被使用時(shí)可以被 GC 卸載回收。這里要注意一點(diǎn)，由 Java 虛擬機(jī)自帶的三種類(lèi)加載器加載的類(lèi)在虛擬機(jī)的整個(gè)生命周期中是不會(huì)被卸載的，只有用戶(hù)自定義的類(lèi)加載器所加載的類(lèi)才可以被卸載。

5. 類(lèi)加載器

如上圖所示，Java 自帶的三種類(lèi)加載器分別是：BootStrap 啟動(dòng)類(lèi)加載器、擴(kuò)展類(lèi)加載器和應(yīng)用加載器（也叫系統(tǒng)加載器）。圖右邊的桔黃色文字表示各類(lèi)加載器對(duì)應(yīng)的加載目錄。啟動(dòng)類(lèi)加載器加載 java home 中 lib 目錄下的類(lèi)，擴(kuò)展加載器負(fù)責(zé)加載 ext 目錄下的類(lèi)，應(yīng)用加載器加載 classpath 指定目錄下的類(lèi)。除此之外，可以自定義類(lèi)加載器。

Java 的類(lèi)加載使用雙親委派模式，即一個(gè)類(lèi)加載器在加載類(lèi)時(shí)，先把這個(gè)請(qǐng)求委托給自己的父類(lèi)加載器去執(zhí)行，如果父類(lèi)加載器還存在父類(lèi)加載器，就繼續(xù)向上委托，直到頂層的啟動(dòng)類(lèi)加載器，如上圖中藍(lán)色向上的箭頭。如果父類(lèi)加載器能夠完成類(lèi)加載，就成功返回，如果父類(lèi)加載器無(wú)法完成加載，那么子加載器才會(huì)嘗試自己去加載。如圖中的桔黃色向下的箭頭。

這種雙親委派模式的好處，可以避免類(lèi)的重復(fù)加載，另外也避免了 Java 的核心 API 被篡改。

6. 垃圾分代回收

Java 的堆內(nèi)存被分代管理，為什么要分代管理呢？分代管理主要是為了方便垃圾回收，這樣做基于2個(gè)事實(shí)，第一，大部分對(duì)象很快就不再使用；第二，還有一部分不會(huì)立即無(wú)用，但也不會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。
虛擬機(jī)劃分為年輕代、老年代、和永久代，如下圖所示。

年輕代主要用來(lái)存放新創(chuàng)建的對(duì)象，年輕代分為 Eden 區(qū)和兩個(gè) Survivor 區(qū)。大部分對(duì)象在 Eden 區(qū)中生成。當(dāng) Eden 區(qū)滿(mǎn)時(shí)，還存活的對(duì)象會(huì)在兩個(gè) Survivor 區(qū)交替保存，達(dá)到一定次數(shù)的對(duì)象會(huì)晉升到老年代。
老年代用來(lái)存放從年輕代晉升而來(lái)的，存活時(shí)間較長(zhǎng)的對(duì)象。
永久代，主要保存類(lèi)信息等內(nèi)容，這里的永久代是指對(duì)象劃分方式，不是專(zhuān)指 1.7 的 PermGen，或者 1.8 之后的 Metaspace。

根據(jù)年輕代與老年代的特點(diǎn)，JVM 提供了不同的垃圾回收算法。垃圾回收算法按類(lèi)型可以分為引用計(jì)數(shù)法、復(fù)制法和標(biāo)記清除法。
引用計(jì)數(shù)法是通過(guò)對(duì)象被引用的次數(shù)來(lái)確定對(duì)象是否被使用，缺點(diǎn)是無(wú)法解決循環(huán)引用的問(wèn)題。
復(fù)制算法需要 from 和 to 兩塊相同大小的內(nèi)存空間，對(duì)象分配時(shí)只在 from 塊中進(jìn)行，回收時(shí)把存活對(duì)象復(fù)制到 to 塊中，并清空 from 塊，然后交換兩塊的分工，即把 from 塊作為 to 塊，把 to 塊作為 from 塊。缺點(diǎn)是內(nèi)存使用率較低。
標(biāo)記清除算法分為標(biāo)記對(duì)象和清除不在使用的對(duì)象兩個(gè)階段，標(biāo)記清除算法的缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片。
JVM 中提供的年輕代回收算法 Serial、ParNew、Parallel Scavenge 都是復(fù)制算法，而 CMS、G1、ZGC 都屬于標(biāo)記清除算法。

6. CMS 算法

基于分代回收理論，詳細(xì)介紹幾個(gè)典型的垃圾回收算法，先來(lái)看 CMS 回收算法。CMS 在 JDK1.7 之前可以說(shuō)是最主流的垃圾回收算法。CMS 使用標(biāo)記清除算法，優(yōu)點(diǎn)是并發(fā)收集，停頓小。CMS 算法如下圖所示。

第一個(gè)階段是初始標(biāo)記，這個(gè)階段會(huì) stop the world，標(biāo)記的對(duì)象只是從 root 集最直接可達(dá)的對(duì)象；
第二個(gè)階段是并發(fā)標(biāo)記，這時(shí) GC 線(xiàn)程和應(yīng)用線(xiàn)程并發(fā)執(zhí)行。主要是標(biāo)記可達(dá)的對(duì)象；
第三個(gè)階段是重新標(biāo)記階段，這個(gè)階段是第二個(gè) stop the world 的階段，停頓時(shí)間比并發(fā)標(biāo)記要小很多，但比初始標(biāo)記稍長(zhǎng)，主要對(duì)對(duì)象進(jìn)行重新掃描并標(biāo)記；
第四個(gè)階段是并發(fā)清理階段，進(jìn)行并發(fā)的垃圾清理；
最后一個(gè)階段是并發(fā)重置階段，為下一次 GC 重置相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

7. G1 算法

G1 在 1.9 版本后成為 JVM 的默認(rèn)垃圾回收算法，G1 的特點(diǎn)是保持高回收率的同時(shí)，減少停頓。
G1 算法取消了堆中年輕代與老年代的物理劃分，但它仍然屬于分代收集器。G1 算法將堆劃分為若干個(gè)區(qū)域，稱(chēng)作 Region，如下圖中的小方格所示。一部分區(qū)域用作年輕代，一部分用作老年代，另外還有一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)存儲(chǔ)巨型對(duì)象的分區(qū)。

G1 也和 CMS 一樣會(huì)遍歷全部的對(duì)象，然后標(biāo)記對(duì)象引用情況，在清除對(duì)象后會(huì)對(duì)區(qū)域進(jìn)行復(fù)制移動(dòng)整合碎片空間。G1 回收過(guò)程如下。
G1 的年輕代回收，采用復(fù)制算法，并行進(jìn)行收集，收集過(guò)程會(huì) STW。

G1 的老年代回收時(shí)也同時(shí)會(huì)對(duì)年輕代進(jìn)行回收。主要分為四個(gè)階段：
依然是初始標(biāo)記階段完成對(duì)根對(duì)象的標(biāo)記，這個(gè)過(guò)程是STW的；
并發(fā)標(biāo)記階段，這個(gè)階段是和用戶(hù)線(xiàn)程并行執(zhí)行的；
最終標(biāo)記階段，完成三色標(biāo)記周期；
復(fù)制/清除階段，這個(gè)階段會(huì)優(yōu)先對(duì)可回收空間較大的 Region 進(jìn)行回收，即 garbage first，這也是 G1 名稱(chēng)的由來(lái)。
G1 采用每次只清理一部分而不是全部的 Region 的增量式清理，由此來(lái)保證每次 GC 停頓時(shí)間不會(huì)過(guò)長(zhǎng)。
總結(jié)如下，G1 是邏輯分代不是物理劃分，需要知道回收的過(guò)程和停頓的階段。此外還需要知道，G1 算法允許通過(guò) JVM 參數(shù)設(shè)置 Region 的大小，范圍是 1～32MB，可以設(shè)置期望的最大 GC 停頓時(shí)間等。有興趣讀者也可以對(duì) CMS 和 G1 使用的三色標(biāo)記算法做簡(jiǎn)單了解。

7. ZGC垃圾回收器

7.1 ZGC 特點(diǎn)

ZGC 是最新的 JDK1.11 版本中提供的高效垃圾回收算法，ZGC 針對(duì)大堆內(nèi)存設(shè)計(jì)可以支持 TB 級(jí)別的堆，ZGC 非常高效，能夠做到 10ms 以下的回收停頓時(shí)間。這么快的響應(yīng)，ZGC 是如何做到的呢？這是由于 ZGC 具有以下特點(diǎn)。
ZGC 使用了著色指針技術(shù)，我們知道 64 位平臺(tái)上，一個(gè)指針的可用位是 64 位，ZGC 限制最大支持 4TB 的堆，這樣尋址只需要使用 42 位，那么剩下 22 位就可以用來(lái)保存額外的信息，著色指針技術(shù)就是利用指針的額外信息位，在指針上對(duì)對(duì)象做著色標(biāo)記。

第二個(gè)特點(diǎn)是使用讀屏障，ZGC 使用讀屏障來(lái)解決 GC 線(xiàn)程和應(yīng)用線(xiàn)程可能并發(fā)修改對(duì)象狀態(tài)的問(wèn)題，而不是簡(jiǎn)單粗暴的通過(guò) STW 來(lái)進(jìn)行全局的鎖定。使用讀屏障只會(huì)在單個(gè)對(duì)象的處理上有概率被減速。

由于讀屏障的作用，進(jìn)行垃圾回收的大部分時(shí)候都是不需要 STW 的，因此 ZGC 的大部分時(shí)間都是并發(fā)處理，也就是 ZGC 的第三個(gè)特點(diǎn)。

第四個(gè)特點(diǎn)是基于 Region，這與 G1 算法一樣，不過(guò)雖然也分了 Region，但是并沒(méi)有進(jìn)行分代。ZGC 的 Region 不像 G1 那樣是固定大小，而是動(dòng)態(tài)地決定 Region 的大小，Region 可以動(dòng)態(tài)創(chuàng)建和銷(xiāo)毀。這樣可以更好的對(duì)大對(duì)象進(jìn)行分配管理。

第五個(gè)特點(diǎn)是壓縮整理。CMS 算法清理對(duì)象時(shí)原地回收，會(huì)存在內(nèi)存碎片問(wèn)題。ZGC 和 G1 一樣，也會(huì)在回收后對(duì) Region 中的對(duì)象進(jìn)行移動(dòng)合并，解決了碎片問(wèn)題。

雖然 ZGC 的大部分時(shí)間是并發(fā)進(jìn)行的，但是還會(huì)有短暫的停頓。來(lái)看一下 ZGC 的回收過(guò)程。

7.2 ZGC 回收過(guò)程

如下圖所示，使用 ZGC 算法進(jìn)行回收，從上往下看。初始狀態(tài)時(shí)，整個(gè)堆空間被劃分為大小不等的許多 Region，即圖中綠色的方塊。

開(kāi)始進(jìn)行回收時(shí)，ZGC 首先會(huì)進(jìn)行一個(gè)短暫的 STW，來(lái)進(jìn)行 roots 標(biāo)記。這個(gè)步驟非常短，因?yàn)?roots 的總數(shù)通常比較小。

然后就開(kāi)始進(jìn)行并發(fā)標(biāo)記，如上圖所示，通過(guò)對(duì)對(duì)象指針進(jìn)行著色來(lái)進(jìn)行標(biāo)記，結(jié)合讀屏障解決單個(gè)對(duì)象的并發(fā)問(wèn)題。其實(shí)，這個(gè)階段在最后還是會(huì)有一個(gè)非常短的 STW 停頓，用來(lái)處理一些邊緣情況，這個(gè)階段絕大部分時(shí)間是并發(fā)進(jìn)行的，所以沒(méi)有明顯標(biāo)出這個(gè)停頓。

下一個(gè)是清理階段，這個(gè)階段會(huì)把標(biāo)記為不在使用的對(duì)象進(jìn)行回收，如上圖所示，把橘色的不在使用的對(duì)象進(jìn)行了回收。

最后一個(gè)階段是重定位，重定位就是對(duì) GC 后存活的對(duì)象進(jìn)行移動(dòng)，來(lái)釋放大塊的內(nèi)存空間，解決碎片問(wèn)題。
重定位最開(kāi)始會(huì)有一個(gè)短暫的 STW，用來(lái)重定位集合中的 root 對(duì)象。暫停時(shí)間取決于 root 的數(shù)量、重定位集與對(duì)象的總活動(dòng)集的比率。
最后是并發(fā)重定位，這個(gè)過(guò)程也是通過(guò)讀屏障，與應(yīng)用線(xiàn)程并發(fā)進(jìn)行的。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的JVM内存模型及CMS、G1和ZGC垃圾回收器详解的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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