理解JVM内存模型

Java内存管理是理解Java垃圾回收工作原理的重要基础。今天，我们将探讨Java中的内存管理、JVM内存的不同部分，以及如何监控和调优垃圾回收。

Java (JVM) 内存模型

如上图所示，JVM内存分为多个部分。从广义上讲，JVM堆内存被物理地分为两部分：年轻代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。

Java中的内存管理 - 年轻代

年轻代是创建所有新对象的地方。当年轻代填满时，会进行垃圾回收，这种回收称为小垃圾回收（Minor GC）。年轻代分为三个部分：伊甸园内存（Eden Memory）和两个幸存者内存空间（Survivor Memory）。关于年轻代空间的重要点：

• 大多数新创建的对象位于伊甸园内存空间。
• 当伊甸园空间填满对象时，进行Minor GC，所有幸存对象被移动到其中一个幸存者空间。
• Minor GC还检查幸存对象并将其移动到另一个幸存者空间。因此在任何时候，某个幸存者空间始终为空。
• 经过多次GC循环幸存的对象将移动到老年代内存空间。通常，通过设置年轻代对象的年龄阈值来决定它们何时可以提升到老年代。

Java中的内存管理 - 老年代

老年代内存包含长寿命对象，这些对象在多轮Minor GC后仍然存活。通常，当老年代内存满时，会进行垃圾回收，称为大垃圾回收（Major GC），通常需要更长时间。

停止世界事件

所有的垃圾回收都是“停止世界”事件，因为所有应用程序线程会在操作完成之前被停止。由于年轻代保留短期对象，Minor GC非常快，应用程序不会受到影响。然而，Major GC需要较长时间，因为它会检查所有活跃对象。应尽量减少Major GC，因为这会使应用程序在垃圾回收期间无响应。如果您的应用程序需要响应性而发生大量Major GC，您会注意到超时错误。垃圾收集器所需的时间取决于所使用的垃圾回收策略。因此，监控和调优垃圾收集器以避免高响应性应用中的超时是必要的。

Java内存模型 - 永久代

永久代（Permanent Generation或Perm Gen）包含JVM所需的应用程序元数据，以描述应用程序中使用的类和方法。请注意，Perm Gen并不是Java堆内存的一部分。Perm Gen由JVM在运行时根据应用程序使用的类填充，还包含Java SE库的类和方法。Perm Gen对象在完全垃圾回收中被收集。

Java内存模型 - 方法区

方法区是Perm Gen的一部分，用于存储类结构（运行时常量和静态变量）及方法和构造函数的代码。

Java内存模型 - 内存池

内存池是由JVM内存管理器创建的，用于创建不可变对象的池（如果实现支持）。字符串池是这种内存池的一个好例子。内存池可以属于堆或Perm Gen，这取决于JVM内存管理器的实现。

Java内存模型 - 运行时常量池

运行时常量池是每个类的运行时常量池的表示，包含类运行时常量和静态方法。运行时常量池是方法区的一部分。

Java内存模型 - Java栈内存

Java栈内存用于线程的执行，包含方法特定的短期值和对堆中其他对象的引用。您应该了解堆内存与栈内存之间的区别。

Java中的内存管理 - Java堆内存开关

Java提供了许多内存开关，我们可以用它们来设置内存大小及其比例。常用的内存开关包括：

大多数时候，上述选项是足够的，但如果您想查看其他选项，请查看JVM选项官方页面。

Java中的内存管理 - Java垃圾回收

Java垃圾回收是识别并删除内存中未使用对象的过程，以释放空间供未来处理创建的对象。Java编程语言的一个最佳特性是自动垃圾回收，而不像其他编程语言（如C）那样需要手动管理内存分配和释放。垃圾收集器是在后台运行的程序，检查内存中的所有对象，找出未被程序任何部分引用的对象。所有这些未引用的对象都会被删除，并回收空间以分配给其他对象。垃圾回收的基本步骤包括：

• 标记：这是垃圾收集器识别哪些对象在使用、哪些对象未使用的第一步。
• 正常删除：垃圾收集器移除未使用的对象，回收空间以分配给其他对象。
• 压缩删除：为了提高性能，在删除未使用对象后，可以将所有幸存对象一起移动，这将提高新对象的内存分配性能。

简单的标记和删除方法有两个问题：

• 第一，它效率不高，因为大多数新创建的对象很快会变为未使用。
• 第二，经过多次垃圾回收周期的对象很可能在未来的周期中仍然在使用。

上述简单方法的缺点是Java垃圾回收是代际的，因此我们在堆内存中有年轻代和老年代空间。我已经在上面解释了如何根据Minor GC和Major GC扫描和移动对象。

Java中的内存管理 - Java垃圾回收类型

我们可以在应用程序中使用五种垃圾回收类型。只需使用JVM开关启用应用程序的垃圾回收策略。让我们逐一看一下这些类型。

• 串行GC (-XX:+UseSerialGC)：使用简单的标记-清除-压缩方法进行年轻代和老年代垃圾回收，即Minor和Major GC。串行GC适用于客户端机器，如简单的独立应用程序和小型CPU的机器。适用于内存占用小的应用程序。
• 并行GC (-XX:+UseParallelGC)：与串行GC相同，但它为年轻代垃圾回收生成N个线程，其中N是系统中的CPU核心数量。我们可以使用-XX:ParallelGCThreads=nJVM选项设置n。对于大型应用程序（特别是高吞吐量应用程序），该方法比串行更有效，因为在小于CPU核心的机器上，它不会产生额外的开销。
• 并发标记清除GC (-XX:+UseConcMarkSweepGC)：具有最小的应用程序停机时间。该GC使用多个线程进行Minor GC，并使用两个阶段并发标记清除对象，几乎没有暂停。与并行GC相比，这种方式在高响应性应用程序中表现良好。
• G1 GC (-XX:+UseG1GC)：通过将堆划分为多个区域来工作，它将小部分空间分配给年轻代和老年代。它的垃圾回收过程分为多个阶段，通常表现良好。G1 GC在大规模应用程序中最有效，尤其是在大堆内存和大响应时间敏感应用程序中。我们还可以通过设置-XX:MaxGCPauseMillis=200来定义G1 GC的最大暂停时间。
• ZGC (-XX:+UseZGC)：适用于内存很大的应用程序，基本上旨在支持大规模应用程序。它在高响应性应用程序中表现良好，适合在处理大量内存时有超低停机时间。

以上是内存管理中的基本概念。下面我们将探讨如何监控和调优Java垃圾回收器，以便您可以优化应用程序性能并避免出现停机时间。

监控和调优垃圾回收

为了优化Java应用程序中的内存管理，您可以使用以下几种方法监控和调优垃圾回收。

• 使用JVisualVM或其他监控工具以获取内存使用情况的详细视图。
• 使用JConsole进行实时监控。
• 收集垃圾回收日志以获取数据并分析堆内存使用情况。
• 优化堆大小和年轻代和老年代的比例，以确保内存管理高效。
• 减少创建短期对象以降低垃圾回收频率。

监控与调优是确保您的Java应用程序运行良好的关键部分。通过仔细分析和优化，您可以提升应用程序的性能。

综上所述，深入理解Java内存模型是提升Java应用性能的重要步骤。通过有效管理内存和优化垃圾回收，您将能够提高应用的响应性和稳定性。

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