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摘要：本文詳細(xì)描述了堆內(nèi)存模型，垃圾回收算法以及處理內(nèi)存泄露的最佳方案，并輔之以圖表，希望能對理解內(nèi)存結(jié)構(gòu)有所幫助。該區(qū)域也稱為內(nèi)存模型的本地區(qū)。在中，內(nèi)存泄露是指對象已不再使用，但垃圾回收未能將他們視做不使用對象予以回收。
本文詳細(xì)描述了 Java 堆內(nèi)存模型，垃圾回收算法以及處理內(nèi)存泄露的最佳方案，并輔之以圖表，希望能對理解 Java 內(nèi)存結(jié)構(gòu)有所幫助。原文作者 Sumith Puri，本文系 OneAPM 工程師編譯整理。
下圖展示了 Java 堆內(nèi)存模型，以及運行在 Java 虛擬機(jī)中任意 Java 應(yīng)用的 PermGen (內(nèi)存永久保存區(qū)域)，下面的比率展示了 JVM 各代類型允許的內(nèi)存大小分配情況，所有的數(shù)據(jù)均適用于 Java 1.7 及以下版本。該圖也被稱為 Java 內(nèi)存模型的“管理區(qū)(Managed Area)”。
Java 內(nèi)存結(jié)構(gòu)(Java 內(nèi)存模型)除此之外，還有一塊堆棧區(qū)(Stack Area)，可通過 -Xss 選項進(jìn)行配置。該區(qū)域存儲了所有線程的堆引用、本地引用、程序計數(shù)器寄存器、代碼緩存以及本地變量。該區(qū)域也稱為內(nèi)存模型的本地區(qū)(Native Area)。
Java 內(nèi)存模型(結(jié)構(gòu))的管理區(qū) [Young Generation/Nursery] 伊甸園區(qū)(Eden Space)所有新對象都首先在 Eden Space 創(chuàng)建。一旦該區(qū)達(dá)到由 JVM 設(shè)定的任意閾值，新生代垃圾回收機(jī)制(Minor GC)就會啟動。它會首先清除所有的非引用對象，并將引用對象從 "eden" 與 "from" 區(qū)移至 "to" 幸存者區(qū)。垃圾回收一結(jié)束，"from" 與 "to" 的角色(名字)就會對換。
[Young Generation/Nursery] 幸存者 1 區(qū) (From)這是幸存者區(qū)的一部分?；蛘咭暈樾掖嬲邊^(qū)中的一個角色。這兒就是之前垃圾回收中的 "to" 角色。
[Young Generation/Nursery] 幸存者 2 區(qū) (To)這也是幸存者區(qū)的一部分。也可以視為幸存者區(qū)中的一個角色。垃圾回收過程中的所有引用對象都會從 "from" 與 "eden" 區(qū)移至此處。
[Old Generation] 年老代區(qū)(Tenured)根據(jù)閾值限定的不同，對象們會從 "to" 幸存者區(qū)移至年老代區(qū)。你可以使用 -XX:+PrintTenuringDistribution 檢查閾值，該指令會按照年齡顯示對象(占用的字節(jié)空間)。年齡是指對象在幸存者區(qū)內(nèi)移動的次數(shù)。
其他重要的標(biāo)記還有 -XX:InitialTenuringThreshold、-XX:MaxTenuringThreshold 與 -XX:TargetSurvivorRatio ，這些標(biāo)記能幫你實現(xiàn)最佳的年老代區(qū)與幸存者區(qū)使用方案。
通過設(shè)置 -XX:InitialTenuringThreshold 與 -XX:MaxTenuringThreshold，可以指定年齡的最初值與最大值，而幸存者區(qū) (To) 的使用率則由 -XX:+NeverTenure 與 -XX:+AlwaysTenure 決定。前者是指永遠(yuǎn)不將對象存儲到年老代區(qū)，而后者恰恰相反，總是將對象存儲到年老代區(qū)。
此處進(jìn)行的垃圾回收是年老代垃圾回收(Major GC)。當(dāng)堆空間已滿或者年老代區(qū)占滿時，就會觸發(fā) Major GC。此時，通常會由一個“停止一切(Stop-the-World)”事件或線程執(zhí)行垃圾回收。此外，還有另一種稱為全垃圾回收(Full GC)的垃圾回收機(jī)制，會涉及諸如永久內(nèi)存區(qū)域。
與整體堆內(nèi)存相關(guān)的另兩個重要且有趣的標(biāo)記是 -XX:SurvivorRatio 與 -XX:NewRatio，前者指定伊甸園區(qū)相對幸存者區(qū)的比率，后者指定年老代區(qū)相對新生代區(qū)的比率。
[Permanent Generation] 永久代區(qū)(Permgen space)永久代區(qū)(Permgen)用于存儲以下信息：常量池 (內(nèi)存池)，字段與方法數(shù)據(jù)及代碼。
垃圾回收算法 串行 GC(Serial GC) (-XX:UseSerialGC): 針對年輕代與年老代的垃圾回收該算法使用簡單的“標(biāo)記-清掃-壓縮(mark-sweep-compact)”循環(huán)清理年輕代與年老代，適合內(nèi)存占用較低、CPU 使用量較少的客戶端系統(tǒng)。
并行 GC(Parallel GC) (-XX:UseParallelGC): 針對年輕代與年老代的垃圾回收該算法使用 N 個線程(N 的值可以通過 -XX:ParallelGCThreads=N 設(shè)定，N 同時代表垃圾回收占用的 CPU 內(nèi)核數(shù))。其中，年輕代垃圾回收會使用 N 個線程，而年老代只用一個線程。
并行 Old GC (-XX:UseParallelOldGC): 針對年輕代與年老代的垃圾回收該算法對年輕代與年老代均使用 N 個線程，其他方面與并行 GC 完全一致。
并發(fā) Mark and Sweep GC (-XX:ConcMarkSweepGC): 針對年老代的垃圾回收顧名思義，CMS GC 會最小化垃圾回收所需的停頓時間。該算法最適于創(chuàng)建高響應(yīng)度的應(yīng)用，且只作用于年老代。它會創(chuàng)建多條垃圾回收的線程，與應(yīng)用線程同時工作。垃圾回收的線程數(shù)量可以使用 -XX:ParallelCMSThreads=n 標(biāo)記指定。
G1 GC (-XX:UseG1GC): 針對年輕代與年老代的垃圾回收 (將堆內(nèi)存等分為大小相同的區(qū)塊)這是一種并行、并發(fā)、不斷壓縮的低停頓垃圾回收器。G1 是在 Java 7 中引入以取代 CMS GC 的，它會先將堆內(nèi)存分為多個大小相等的區(qū)塊，繼而執(zhí)行垃圾回收。通常，從活動數(shù)據(jù)最少的區(qū)塊開始，因此以垃圾為先。
最常見的內(nèi)存溢出問題所有 Java 程序員都應(yīng)該知道的最常見的內(nèi)存溢出問題：
Exception in thread "main": java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space( Java 堆內(nèi)存)。這并不一定意味著內(nèi)存泄露，也可能是分配的堆內(nèi)存空間太小。此外，在運行時間較長的應(yīng)用中，也可能是因為一個無意識的引用被指向堆對象(內(nèi)存泄露)。即便是應(yīng)用本身調(diào)用的 APIs，也可能保存著指向無依據(jù)對象的引用。而且，在大量使用終結(jié)器的應(yīng)用中，對象們有時可能正排在終結(jié)隊列中。當(dāng)這樣的應(yīng)用創(chuàng)建高優(yōu)先級的線程時，會導(dǎo)致越來越多的對象排在終結(jié)隊列中，最終導(dǎo)致內(nèi)存溢出。
Exception in thread "main": java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space(永久存儲空間)。如果加載了很多類與方法，或者創(chuàng)建了很多字符串常量，特別是使用 intern() 方法進(jìn)行創(chuàng)建(從 JDK 7 開始，interned 字符串就不再存儲在 PermGen 中)，這類錯誤就會出現(xiàn)。當(dāng)出現(xiàn)這類錯誤時，打印的堆棧跟蹤附近可能會出現(xiàn)如下文本：ClassLoader.defineClass。
Exception in thread "main": java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit (請求的數(shù)組大小超出 VM 限制)。當(dāng)請求的數(shù)組大小超過可用的堆空間時，這類報錯就會出現(xiàn)。這類錯誤通常歸咎于編程錯誤，在運行時請求了極大的數(shù)組大小。
Exception in thread "main": java.lang.OutOfMemoryError:
request bytes for ，交換空間溢出？這是內(nèi)存泄露最常見的根源。通常，當(dāng)操作系統(tǒng)沒有足夠的交換空間，或另一個進(jìn)程占用了系統(tǒng)中的所有可用內(nèi)存，就會導(dǎo)致內(nèi)存泄露。簡而言之，由于空間用盡，堆內(nèi)存無法提供所請求的空間大小。該信息中的 "s" 代表失敗的請求所需的內(nèi)存大小(以字節(jié)為單位)，而 "r" 代表內(nèi)存請求的原因。在大多數(shù)情況下，此處的 "r" 是報告分配失敗的源模塊，有時也會是具體的原因。
Exception in thread "main": java.lang.OutOfMemoryError:
你可以將內(nèi)存泄露看做一種疾病，而內(nèi)存溢出錯誤為一種征兆。但不是所有的內(nèi)存溢出錯誤都意味著內(nèi)存泄露，不是所有的內(nèi)存泄露都以內(nèi)存溢出為征兆。
維基百科的定義：在計算機(jī)科學(xué)中，內(nèi)存泄露是一種以如下方式發(fā)生的資源泄露——計算機(jī)程序錯誤地分配內(nèi)存，導(dǎo)致不再需要的內(nèi)存得不到釋放。在面向?qū)ο蟮木幊陶Z言中，一個對象若存儲在內(nèi)存中，卻無法由運行的代碼獲取，即為內(nèi)存泄露。
Java 中常用的內(nèi)存泄露定義當(dāng)不再需要的對象引用仍舊多余地予以保存，即為內(nèi)存泄露。
在 Java 中，內(nèi)存泄露是指對象已不再使用，但垃圾回收未能將他們視做不使用對象予以回收。
當(dāng)程序不再使用某個對象，但在一些無法觸及的位置該對象仍舊被引用，即為內(nèi)存泄露。也因此，垃圾回收器無法刪除它。該對象占用的內(nèi)存空間無法釋放，程序所需的總內(nèi)存就會增加。久而久之，應(yīng)用的性能就會下降，JVM 可能會耗盡所有內(nèi)存。
在某種程度上，當(dāng)無法再給年老區(qū)分配內(nèi)存時，內(nèi)存泄露就會發(fā)生。
內(nèi)存泄露最常見的一些情況：
ThreadLocal 變量
循環(huán)與復(fù)雜的雙向引用
JNI 內(nèi)存泄露
可變的靜態(tài)域(最為常見)
我建議結(jié)合使用 Visual VM 與 JDK，對內(nèi)存泄露問題進(jìn)行調(diào)試。
常見的內(nèi)存泄露調(diào)試方法NetBeans 分析器
使用 jhat Utility
創(chuàng)建 Heap Dump
獲取當(dāng)下運行進(jìn)程的堆內(nèi)存柱狀圖
獲取內(nèi)存溢出錯誤的堆內(nèi)存柱狀圖
監(jiān)控在等待終結(jié)的對象數(shù)量
第三方內(nèi)存調(diào)試器
調(diào)試內(nèi)存泄露問題的常用策略或步驟：
確認(rèn)征兆
啟用詳細(xì)的垃圾回收機(jī)制(verbose GC)
啟用性能分析
分析堆棧跟蹤
原文地址：https://dzone.com/articles/java-memory-architecture-model-garbage-collection
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