有些知識平常基本不會用到的，當每次去找工作的時候，都會被面試被問到，我想大家都猜到了就是中高級Java程序員一定會問的JVM內存模型和gc算法。想下我每次回答都是模模糊糊，知識點片片段段的，做技術最怕就是這樣的，你說我不會吧，我的心又不甘，我確實懂，懂一點點點點🤦。看了很多別人寫的JVM博客，想寫一篇自己學習筆記心得，當我能寫出來了，這些知識不單止刻在我的腦子了，還會留在我的心裏。本文參考多篇博客內容編寫的，如有雷同肯定是抄襲了。
JVM 運行時內存
根據OracleJVM運行的結構的說明，Java虛擬機在定義了在程序執行期間使用的各種運行時數據區域。
- 程序計數器: 記錄當前線程正在執行的Java虛擬機指令的地址，每個線程都有自己的程序計數器。
- Java虛擬機堆棧: 每個Java虛擬機線程都有一個私有Java虛擬機堆棧，與該線程同時創建。它保存局部變量和部分結果，並在方法調用和返回中起作用。
- 堆: Java虛擬機運行時產生所有的對象和數組的內存區域,所有線程共享的。
- 方法區: 主要存儲每個類的信息包括類的版本、字段、方法、接口和常量池。儘管方法區域在邏輯上是堆的一部分，但是簡單的實現可以選擇不進行垃圾回收或壓縮
- 運行時常量池: 就是方法區裏面常量池，主要是類或者接口的各種常量類型。
- 本地方法區: 調用系統原生native方法，產生棧內存結構。
以上區域雖然都是單獨劃分，但是方法區、運行時常量池都是在Heap內存中,當存儲不足的時候，則Java虛擬機機器拋出一個OutOfMemoryError。可以通過Java啓動參數修改默認Heap內存 -xms -xmx 設置最大最小內存。本地方法區屬於Java虛擬機堆棧,如果線程中的計算所需的Java虛擬機堆棧超出允許的範圍，則Java虛擬機將拋出StackOverflowError。可以通過Java啓動參數-xss調整堆棧內存大小。
JVM內存模型
- Young Generation: 翻譯叫年輕代，主要有Eden Space和Survivor Space組成。
- Eden Space: 所有新創建對象都是從這裏分配內存的。
- Survivor Space: 倖存區空間，這裏包含的對象都是從年輕代垃圾回收或者 Minor gc中倖存下來的，垃圾回收下面會具體說明。
- Tenured Space: 也叫Old Generation Space 老年代，年輕代的對象經過young gc 或者minor gc 達到最大幸存閾值將被移動到老年代。
- Meta Space: 元空間，這個是堆外內存，使用本機原生內存。元空間可以獨立申請內存空間，不受JVM內存限制。元空間主要用於存儲由類加載器加載的類定義，在1.7以前稱作Perm Gen Space。
- Code Cache: JVM具有解釋器來解釋字節碼並將其轉換爲依賴於硬件的機器碼。作爲JVM優化的一部分,Just In Time(JIT)引入了編譯器,經常訪問的代碼塊將由JIT編譯爲本地代碼，並將其存儲在代碼緩存中。
回收算法
下面圖片轉載一文看懂 JVM 內存佈局及 GC 原理
mark-sweep 標記清除法
將需要回收對象全部標記出來直接清空，優點回收速度快，但是會產生很多內存碎片。
mark-copy 標記複製法
將內存分成大小相等的區域，將存活對象複製到新的區域，再將原來整個區域刪除，這種算法回收速度快，不會產生內存碎片，內存利用率只能用50%。這種回收算法用於Survivor Space，一個S0區域保存對象，另一個S1保持空閒，當執行標記複製時，倖存對象移動到空閒的S1,S0清除對象變成空閒區域。
mark-compact 標記 - 整理（也稱標記 - 壓縮）法
避免了上述兩種算法的缺點，將垃圾對象清理掉後，同時將剩下的存活對象進行整理挪動（類似於 windows 的磁盤碎片整理），保證它們佔用的空間連續，這樣就避免了內存碎片問題，但是整理過程也會降低 GC 的效率。這種算法主要用於老年代對象回收。
對象回收判斷
主要通過兩個方法去判斷對象滿足垃圾回收：對象引用計數，對象可達性分析。
- 對象引用計算 : 給對象添加一個引用計數器，當對象被引用時，計數器+1,引用失效時計數器-1，計數器爲0就滿足垃圾回收。但是這種方法不能處理循環引用的對象，比如一個對象A引變了對象B，對象B引用了對象A。這樣會導致計數器永遠不會爲0，這時就要使用對象可達性分析來判斷了。
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對象可達性分析: 通過GC Root作爲起點向下遍歷，走過的路徑作爲引用鏈，以引用鏈上的對象作爲可達性對象。
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當A、B對象沒有被GC ROOT所引用，對象是不可達的，會被垃圾回收器清除掉的。
垃圾回收過程
- Minor gc: 從年輕代(包括Eden和倖存區)進行垃圾回收的統稱。
- Major gc: 回收"Turn Space"
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Full gc: 清理整個堆空間包括"Young space"和"Turn Space"一起回收。
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如圖所有新創建的對象都保存在Eden Space,當空間快滿時，JVM就是啓動minor gc回收不可達的對象。JVM選擇倖存者空間之一作爲“ To Space”，比如將S0當作"To Space"。JVM將可訪問對象複製到" To Space"（S0），並將可訪問對象的年齡增加1。當有大對象生成時，不適合進入倖存區而直接移動到年老代。
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在上圖中，紅色的對象是將被垃圾回收的對象，倖存對象對象複製到 "To Space",清空"Eden Space"空間。
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第二次minor gc，"Eden Space"、"To survivor space (S0)"的不可達對象都會被回收，複製倖存對象到S1倖存區中，倖存對象年齡將自增+1，在清空"Eden Space"和"To survivor space (S0)"。
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沒經過一個minor gc，存活下來的對象年齡就會增加1，當對象那年齡達到最大閾值15，對象將會移動到年老代，可通過-XX:MaxTenuringThreshold調整這個閾值。根據對象年齡有另外一個策略也會讓對象進入老年代，不用等待15次GC之後進入老年代，他的大致規則就是，假如當前放對象的Survivor，一批對象的總大小大於這塊Survivor內存的50%，那麼大於這批對象年齡的對象，就可以直接進入老年代了。
總結那些情況會觸發Major gc：
- 開發者調用
System.gc()或者Runtime.getRunTime().gc()JVM啓動GC。 - 年老代空間不足
- 在Minor gc期間，如果JVM無法從伊甸園或倖存者空間中回收足夠的內存，則可能會觸發Major GC。
- 如果我們爲JVM設置了“ MaxMetaspaceSize”選項，但沒有足夠的空間來加載新類，則JVM會觸發一個Major GC。
參考資料
https://www.infoq.cn/article/3WyReTKqrHIvtw4frmr3
https://dzone.com/articles/understanding-the-java-memory-model-and-the-garbag
https://plumbr.io/blog/garbage-collection/minor-gc-vs-major-gc-vs-full-gc