JVM调优及垃圾回收GC

一、说一说JVM的内存模型。

JVM的运行时内存也叫做JVM堆，从GC的角度可以将JVM分为新生代、老年代和永久代。

其中新生代默认占1/3堆内存空间，老年代默认占2/3堆内存空间，永久代占非常少的对内存空间。

新生代又分为Eden区、SurvivorFrom区和SurvivorTo区， Eden区默认占8/10新生代空间，SurvivorFrom区和SurvivorTo区默认分别占1/10新生代空间；Eden区最小占3/5新生代空间，SurvivorFrom区和SurvivorTo区分别占1/5新生代空间，如下图所示：

永久代

永久代指内存的永久保存区域，主要存放Class和Meta（元数据）的信息。Class在类加载时被放入永久。永久代和老年代、新生代不同，GC不会在程序运行期间对永久代的内存进行清理，这也导致了永久代的内存会随着加载的Class文件的增加而增加，在加载Class文件过多时会抛出Out Of Memory异常，比如Tomcat引用Jar文件过多会导致JVM内存不足而无法启动。

需要注意的是，在Java 8 中永久代已经被元数据区（也叫做元空间）取代。元数据区的作用和永久代类似，二者最大的区别在于：元数据区并没有使用虚拟机内存，而是直接使用操作系统的本地内存。因此，元空间的大小不受JVM内存的限制，之和操作系统的内存有关。

在Java 8 中，JVM将类的元数据放入本地内存（Native Memory）中，将常量池和类的静态变量放入Java堆中，这样JVM能够加载多少元数据信息就不再由JVM的最大可用内存（MaxPermSize）空间决定，而由操作系统的实际可用的内存空间决定。

原文链接：https://blog.csdn.net/qq_45886144/article/details/124083079

二、JAVA类加载的全过程是怎样的？什么是双亲委派机制？有什么作用？

JAVA的类加载器： AppClassloader -> ExtClassloader -> BootStrap Classloader

每种类加载器都有他自己的加载目录。

JAVA中的类加载器： AppClassLoader , ExtClassLoader -> URLClassLoader ->SecureClassLoader -> ClassLoader

每个类加载器对他加载过的类，都是有一个缓存的。

双亲委派：向上委托查找，向下委托加载。 作用：保护JAVA的层的类不会被应用程序覆盖。

类加载过程： 加载 -》 连接 -》 初始化

加载：把Java的字节码数据加载到JVM内存当中，并映射成JVM认可的数据结构。

连接：分为三个小的阶段： 1、验证：检查加载到的字节信息是否符合JVM规范。

2、准备： 创建类或接口的静态变量，并赋初始值 半初始化状态

3、解析：把符号引用转为直接引用

初始化：

一个对象从加载到JVM，再到被GC清除，都经历了什么过程？

method{ ClassLoaderDemo1 c =new ClassLoaderDemo1(); c.xxx} GC

1、用户创建一个对象，JVM首先需要到方法区去找对象的类型信息。然后再创建对象。

2、JVM要实例化一个对象，首先要在堆当中先创建一个对象。-> 半初始化状态

3、对象首先会分配在堆内存中新生代的Eden。然后经过一次Minor GC，对象如果存活，就会进入S区。在后续的每次GC中，如果对象一直存活，就会在S区来回拷贝，每移动一次，年龄加1。-> 多大年龄才会移入老年代？ 年龄最大15， 超过一定年龄后，对象转入老年代。

4、当方法执行结束后，栈中的指针会先移除掉。

5、堆中的对象，经过Full GC，就会被标记为垃圾，然后被GC线程清理掉。

三、怎么确定一个对象到底是不是垃圾？ 什么是GC Root?

有两种定位垃圾的方式：

1、引用计数： 这种方式是给堆内存当中的每个对象记录一个引用个数。引用个数为0的就认为是垃圾。这是早期JDK中使用的方式。引用计数无法解决循环引用的问题。

2、根可达算法： 这种方式是在内存中，从引用根对象向下一直找引用，找不到的对象就是垃圾。

哪些是GC Root？

Stack -> JVM Stack, Native Stack， class类， run-time constant pool 常量池， static reference 静态变量。

四、JVM有哪些垃圾回收算法？

GC是什么（分代收集算法）

• 次数上频繁收集Young区 Minor GC

• 次数上较少收集Old区 Full GC

• 基本不动Perm区

垃圾回收机制的算法

java语言规范没有明确的说明JVM 使用哪种垃圾回收算法，但是任何一种垃圾回收算法一般要做两件基本事情：

（1）发现无用的信息对象；

（2）回收将无用对象占用的内存空间，使该空间可被程序再次使用。

1、判断对象是否需要被回收，一般是两种算法：引用计数器算法和可达性算法。

1.1 引用计数器算法

原理其实很简单，给运行的对象添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器+1；当引用失效时，计数器就-1，任何时刻计数器为0的对象，就视作不可能再被使用。这一种方式，实现简单，逻辑也清晰，大部分的情况下，它都可以达到很好的效果，尽管这样，计数器算法还是存在但是的，但是它无法解决循环引用的场景，这也是主流Java虚拟机没有选用这一算法的原因。

1.2 可达性算法

此算法的核心思想：通过一系列称为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索走过的路径称为“引用链”，当一个对象到 GC Roots 没有任何的引用链相连时(从 GC Roots 到这个对象不可达)时，证明此对象不可用。

2、回收清理

使用发现算法垃圾被标记后，接下来就是如何去清除，常见的清除算法有：标记清除法、复制清除、标记整理算法、分代收集；其中当前主流使用的是分代收集。

2.1 Mark Sweep 标记清除算法

这种算法是比较简单的，分为两个阶段，标记阶段：通过可达性分析方法把垃圾内存标记出来，清除阶段：直接将垃圾内存回收。简单粗暴，即标记删除的对象，对其进行内存回收。

但是有个很严重的问题，就是一段时间后，内存会出现大量碎片，导致虽然碎片总和很大，但无法满足一个大对象的内存申请，从而导致 OOM，而过多的内存碎片（需要类似链表的数据结构维护），也会导致标记和清除的操作成本高，效率低下。

缺点：两次扫描，耗时严重；会产生内存碎片。

2.2 MarkCompack 标记压缩算法

为了解决拷贝算法的缺陷，就提出了标记压缩算法。这种算法在标记阶段跟标记清除算法是一样的，只是在标记清除的基础上，追加了碎片的散落问题，在清除之后进行了碎片的整理，但副作用是增了了GC的时间。

2.3 Copying 复制算法

为了解决标记清除算法的效率问题，有人提出了复制算法。它将内存分为大小相等的两半，每次只使用其中一半。垃圾回收时，将当前这一块的存活对象全部拷贝到另一半，然后当前这一半内存就可以直接清除。

这种算法高效的原因在于分配内存时只需要将指针后移，不需要维护链表等。但它最大的问题是对内存的浪费，使用率只有 50%。

但这种算法在一种情况下会很高效：Java 对象的存活时间极短。据 IBM 研究，Java 对象高达 98% 是朝生夕死的，这也意味着每次 GC 可以回收大部分的内存，需要复制的数据量也很小，这样它的执行效率就会很高。

优点：没有标记和清除的过程，效率高；没有内存碎片，可以利用bump-the-pointer实现快速内存分配。

缺点：需要双倍空间。

这三种算法各有利弊，各自有各自的适合场景。

2.4 分代收集（Generation Collection）

在实际的Java程序中，大部分的对象存活周期都较短，基本上创建完，紧接着处理完数据就被丢弃了，大部分 Java 对象是朝生夕死的，所以我们将内存按照 Java 生存时间分为 新生代(Young) 和 老年代(Old)，前者存放短命僧，后者存放长寿佛，当然长寿佛也是由短命僧升级上来的。然后针对两者可以采用不同的回收算法，比如对于新生代采用复制算法会比较高效，而对老年代可以采用标记-清除或者标记-整理算法。这种算法也是最常用的。

JVM Heap 分代后的划分一般如下所示，新生代一般会分为 Eden、Survivor0、Survivor1区，便于使用复制算法。

将内存分代后的 GC 过程一般类似下图所示：

1. 对象一般都是先在 Eden区创建

2. 当Eden区满，触发 Young GC，此时将 Eden中还存活的对象复制到 S0中，并清空 Eden区后继续为新的对象分配内存

3. 当Eden区再次满后，触发又一次的 Young GC，此时会将 Eden和S0中存活的对象复制到 S1中，然后清空Eden和S0后继续为新的对象分配内存

4. 每经过一次 Young GC，存活下来的对象都会将自己存活次数加1，当达到一定次数后，会随着一次 Young GC 晋升到 Old区

5. Old区也会在合适的时机进行自己的 GC

五、JVM有哪些垃圾回收器？他们都是怎么工作的？什么是STW？他都发生在哪些阶段？什么是三色标记？如何解决错标记和漏标记的问题？为什么要设计这么多的垃圾回收器？

STW: Stop-The-World。是在垃圾回收算法执行过程当中，需要将JVM内存冻结的一种状态。在STW状态下，JAVA的所有线程都是停止执行的-GC线程除外，native方法可以执行，但是，不能与JVM交互。GC各种算法优化的重点，就是减少STW，同时这也是JVM调优的重点。

JVM的垃圾回收器：

Serial 串行

整体过程比较简单，就像踢足球一样，需要GC时，直接暂停，GC完了再继续。

这个垃圾回收器，是早期垃圾回收器，只有一个线程执行GC。在多CPU架构下，性能就会下降严重。只适用于几十兆的内存空间。

Parallel 并行

在串行基础上，增加多线程GC。PS+PO这种组合是JDK1.8默认的垃圾回收器。在多CPU的架构下，性能会比Serial高很多。

CMS Concurrent Mark Sweep

核心思想，就是将STW打散，让一部分GC线程与用户线程并发执行。 整个GC过程分为四个阶段

1、初始标记阶段：STW 只标记出根对象直接引用的对象。

2、并发标记：继续标记其他对象，与应用程序是并发执行。

3、重新标记： STW 对并发执行阶段的对象进行重新标记。

4、并发清除：并行。将产生的垃圾清除。清除过程中，应用程序又会不断的产生新的垃圾，叫做浮动垃圾。这些垃圾就要留到下一次GC过程中清除。

G1 Garbage First 垃圾优先

他的内存模型是实际不分代，但是逻辑上是分代的。在内存模型中，对于堆内存就不再分老年代和新生代，而是划分成一个一个的小内存块，叫做Region。每个Region可以隶属于不同的年代。

GC分为四个阶段：

第一：初始标记 标记出GCRoot直接引用的对象。STW

第二：标记Region，通过RSet标记出上一个阶段标记的Region引用到的Old区Region。

第三：并发标记阶段：跟CMS的步骤是差不多的。只是遍历的范围不再是整个Old区，而只需要遍历第二步标记出来的Region。

第四：重新标记： 跟CMS中的重新标记过程是差不多的。

第五：垃圾清理：与CMS不同的是，G1可以采用拷贝算法，直接将整个Region中的对象拷贝到另一个Region。而这个阶段，G1只选择垃圾较多的Region来清理，并不是完全清理。

CMS的核心算法就是三色标记。

三色标记：是一种逻辑上的抽象。将每个内存对象分成三种颜色： 黑色：表示自己和成员变量都已经标记完毕。 灰色：自己标记完了，但是成员变量还没有完全标记完。白色：自己未标记完。

CMS通过增量标记 increment update 的方式来解决漏标的问题。

六、如何进行JVM调优？怎么查看一个JAVA进程的JVM参数？谈谈你了解的JVM参数。如果一个java程序每次运行一段时间后，就变得非常卡顿，你准备如何对他进行优化？

JVM调优主要就是通过定制JVM运行参数来提高JAVA应用程度的运行数据。

JVM参数有哪些？

JVM参数大致可以分为三类：

1、 标注指令： -开头，这些是所有的HotSpot都支持的参数。可以用java -help 打印出来。

2、非标准指令： -X开头，这些指令通常是跟特定的HotSpot版本对应的。可以用java -X 打印出来。

3、不稳定参数： -XX 开头，这一类参数是跟特定HotSpot版本对应的，并且变化非常大。详细的文档资料非常少。在JDK1.8版本下，有几个常用的不稳定指令：

java -XX:+PrintCommandLineFlags ： 查看当前命令的不稳定指令。

java -XX:+PrintFlagsInitial ： 查看所有不稳定指令的默认值。

java -XX:+PrintFlagsFinal： 查看所有不稳定指令最终生效的实际值。