读完《深入理解Java虚拟机》后记录几个问题

深藏阁楼爱情的钟 2023-01-21 05:23 21阅读 0赞

先声明一下，以下总结的问题都是在针对HotSpot虚拟机展开讨论，这些问题其实都可以在下面这本秘籍中找到答案，《深入理解Java虚拟机》几乎是每一个Java开发者必备宝典。  
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思考这些问题的时候，建议先阅读[JVM内存结构与垃圾回收总结][JVM]打打基础。

### 为什么要分新生代与老年代 ###

这是基于两个共识：1、绝大多数对象都是朝生夕死的，2、熬过越多次垃圾收集过程的对象就越难以消亡。

对象的生命周期有长有短，分代回收，能针对这个特点做很好的优化。分代后，GC时进行可达性分析的范围大大降低，新生代的规模比老年代小很多，回收频率也要高，显然新生代gc的时候不能去遍历老年代。只要把非收集部分（老年代）指向收集部分（新生代）的引用保存下来，加入gc roots，就可以避免在新生代GC时去对老年代进行可达性分析（老年代对象大量存活），能节省大量时间。

如果**不分代，所有对象全部在一个区域，总的GC频率应该和分代后的Young GC差不多，每次GC都需要从gc roots对全堆进行扫描，大大增加了开销**。

### 为什么新生代会采用复制算法 ###

先从理论上复习一下什么是复制算法。

复制算法把内存空间划为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域。垃圾收集时，遍历当前使用的区域，把存活对象复制到另外一个区域中，最后将当前使用区域的可回收的对象进行回收。这样可以使得每次都是对整个半区进行内存回收，内存分配时也不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶指针按顺序分配内存即可，实现简单运行高效。只是这种算法将内存缩小为原来的一半，代价有点儿高。

新生代的对象大多朝生夕死，大约98%的新建对象可以被很快回收，复制算法成本低，同时还能保证空间没有碎片。

虽然标记整理算法也可以保证没有碎片，但是由于新生代要清理的对象数量很大，将存活的对象整理到与待清理对象区分开，需要大量的移动操作，时间复杂度比复制算法高。老年代的空间比较大，不可能采用复制算法，因为特别占用内存空间。

### 为什么需要Survivor区 ###

如果没有Survivor，Eden区每进行一次Minor GC，存活的对象就会被送到老年代。老年代很快被填满触发Major GC(因为Major GC一般伴随着Minor GC，也可以看做触发了Full GC)。老年代的内存空间远大于新生代，进行一次Full GC消耗的时间比Minor GC长得多。频发的Full GC消耗的时间是非常可观的，这一点会影响大型程序的执行和响应速度，更不要说某些连接会因为超时发生连接错误了。

Survivor的存在意义，就是减少被送到老年代的对象，进而减少Full GC的发生，Survivor的预筛选保证，只有经历16次Minor GC还能在新生代中存活的对象，才会被送到老年代。

### 为什么新生代需要两个Survivor区 ###

**设置两个Survivor区最大的好处就是提高堆内存使用效率，减少碎片化**。原始的复制算法是把一块内存一分为二，gc时把存活的对象从一块空间（From space）复制到另外一块空间（To space），再把原先的那块内存（From space）清理干净，最后调换From space和To space的逻辑角色（这样下一次gc 的时候还可以按这样的方式进行）。

也就是说如果选择了复制算法。

1.  必然至少要有两块内存，From区和To区
2.  一开始，对象只在From区分配，To区是空闲的。GC将存活的对象从From区域复制到To，清空掉From区，这个时候，交换指针，交换之后，From区里面还是有存活的对象，To区空闲。

从吞吐量、内存的分配效率和内存碎片化这几个方面来看都要优化标记-清除/整理算法。但是堆的使用效率就相对而言比较低。

为什么要有两个Survivor区域：From和To，这个问题不应该是这样的，而是HotSpot虚拟机为什么要增加Eden区域。在复制算法中，有一个很大的缺点就在于堆的使用效率问题，如果是按照五五分成，总有一般是不能用的。那为什么不干脆八二分？即如果内存有100MB，From区占用80MB，To区占用20MB，那么问题来了，某次触发YGC，需要把From中的存活对象复制到To空间（假设占用了To区的10MB），这个时候，交换指针之后，From空间就只剩下10MB能用了，相信很快就会再次触发YGC，STW发生频次提高。

矛盾点就在于From区与To区五五分成，堆利用率实在不高。不五五分成，由于复制算法的特性，YGC很容易发生，YGC频次高则STW的频次也很高。为了解决内存分配空间的capacity不恒定的问题，HotSpot引入了Eden区作为对复制算法的优化，其实eden区域可以看作是From和To区域的缓冲和共享区域。

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使用两块Survivor可以保持新对象始终在Eden区创建，并且Eden区的capacity恒定，存活对象在Survivor之间转移即可，空间消耗是8+1+1，明显后者的空间利用率更高。内存碎片化带来的风险是极大的，严重影响Java程序的性能。堆空间被散布的对象占据不连续的内存，最直接的结果就是，堆中没有足够大的连续内存空间，接下去如果程序需要给一个内存需求很大的对象分配内存就会出现问题。

### HotSpot新生代的实际可用空间是多少 ###

新生代虽然使用了复制算法，但并不是完全按理论指导，将内存空间平均划分为两半，每次只使用其中一半的。而是划分为一个Eden区，两个Survivor区。

YGC后，总有一块Survivor区是空闲的，因此新生代的可用内存空间是90%。在YGC的log中或者通过 jmap -heap pid 命令查看新生代的空间时，如果发现capacity只有90%，不要觉得奇怪。

### 永久代为什么被移出HotSpot JVM了 ###

在 Java 8之前有个永久代的概念，实际上指的是HotSpot虚拟机上的永久代，它用永久代实现了JVM规范定义的方法区功能，主要存储类的信息，常量，静态变量，即时编译器编译后代码等，这部分由于是在堆中实现的，受GC的管理。每当一个类初次被加载的时候，它的元数据都会放到永久代中。永久代是有XX:MaxPermSize的大小上限的，因此如果加载的类或动态生成类太多，很有可能导致永久代内存溢出，即万恶的java.lang.OutOfMemoryError: PermGen，为此我们不得不对虚拟机做调优。有人说可以把永久代设置得足够大，但很难确定一个合适的大小，受类数量，常量数量的多少影响很大。由于PermGen内存经常会溢出，引发恼人的 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen，因此JVM的开发者希望这一块内存可以更灵活地被管理，不要再经常出现这样的OOM。

JDK 8把方法区的实现移到了本地堆内存中的元空间中，这一块区域就叫Metaspace，中文名叫元空间。使用本地内存有什么好处呢？最直接的好处就是方法区就不受JVM的控制了，它属于堆外内存，也就不会进行GC，也因此提升了性能，也就不存在大小限制了，不会有OOM异常了。理论上Metaspace就可以有多大（容量取决于32位或64位操作系统的可用虚拟内存大小），这解决了空间不足的问题。不过，让Metaspace 变得无限大显然是不现实的，因此我们也要限制 Metaspace的大小：使用-XX:MaxMetaspaceSize参数来指定Metaspace区域的大小。JVM默认在运行时根据需要动态地设置MaxMetaspaceSize的大小。

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堆外内存不受GC控制，无法通过GC释放内存，那该以什么样的形式释放呢，可以参见这篇文章：[堆外内存的回收机制分析][Link 1]。

### GC时为什么要Stop-The-World ###

在新生代进行的GC叫做minor GC，在老年代进行的GC都叫major GC，Full GC同时作用于新生代和老年代。在垃圾回收过程中经常涉及到对对象的挪动（比如上文提到的对象在Survivor 0和Survivor 1之间的复制），进而导致需要对对象引用进行更新。为了保证引用更新的正确性，Java将暂停所有其他的线程，这种情况被称为Stop-The-World，导致系统全局停顿。在垃圾回收的过程中，同时还允许系统继续不停的在Eden里持续创建新的对象，是非常不合适的一个事情。Stop-The-World对系统性能存在影响，因此垃圾回收的一个原则是尽量减少Stop-The-World的时间。

STW会直接停止我们写的Java系统的所有工作线程，让我们写的代码不再运行！然后让垃圾回收线程可以专心致志的进行垃圾回收的工作。这样的话，就可以让我们的系统暂停运行，然后不再创建新的对象，同时让垃圾回收线程尽快完成垃圾回收的工作，就是标记和转移Eden以及Survivor2的存活对象到Survivor1中去，然后尽快一次性回收掉Eden和Survivor2中的垃圾对象。

Serial、Parallel和CMS收集器均存在不同程度的Stop-The-Word情况；而即便是最新的G1收集器也不例外。

1.  Serial GC：Full GC整个过程STW，Young GC整个过程STW
2.  Parallel GC：Full GC整个过程STW，Young GC整个过程STW
3.  CMS GC：Full GC整个过程STW，Young GC整个过程STW，Old GC只有两个小阶段STW
4.  G1 GC：Full GC整个过程STW，Young GC整个过程STW，Mixed GC由全局并发标记和对象复制组成，全局并发标记其中两个小阶段STW，其它并发

JVM本身的迭代演进，就是不断的在优化垃圾回收器的机制和算法，尽可能的降低垃圾回收的过程对我们的系统运行的影响。而我们作为一个合格的Java工程师，我们的责任就是尽可能搞懂这些垃圾回收器的运行机制和算法。然后合理的对线程系统优化内存分配和垃圾回收，尽可能减少垃圾回收的频率，降低垃圾回收的时间，减少垃圾回收对系统运行的影响。

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[JVM]: https://blog.csdn.net/fuzhongmin05/article/details/78169044
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[Link 1]: https://www.jianshu.com/p/35cf0f348275