【轉】一文看懂JVM內存布局及GC原理
- 2019 年 10 月 8 日
- 筆記
作者簡介
楊俊明，攜程雲客服平台研發部軟件技術專家。從事IT行業10餘年，騰訊雲+社區、阿里雲棲社區、華為雲社區認證專家。近年來主要研究分佈式架構、微服務、Java技術等方向。
java的內存布局以及GC原理」是java開發人員繞不開的話題，也是面試中常見的高頻問題之一。
java發展歷史上出現過很多垃圾回收器，各有各的適應場景，很多網上的舊文章已經跟不上的變化。本文詳細介紹了java的內存布局以及各種垃圾回收器的原理（包括的ZGC），希望閱讀完後，大家對這方面的知識不再陌生，有所收穫，同時也歡迎大家留言討論。
一、JVM運行時內存布局
按java 8虛擬機規範的原始表達：(jvm)Run-Time Data Areas, 暫時翻譯為「jvm運行時內存布局」。
從概念上大致分為6個（邏輯）區域，參考下圖。註：Method Area中還有一個常量池區，圖中未明確標出。
這6塊區域按是否被線程共享，可以分為兩大類：
一類是每個線程所獨享的：
1）PC Register：也稱為程序計數器， 記錄每個線程當前執行的指令信。eg：當前執行到哪一條指令，下一條該取哪條指令。
2）JVM Stack：也稱為虛擬機棧，記錄每個棧幀（Frame）中的局部變量、方法返回地址等。註：這裡出現了一個新名詞「棧幀」，它的結構如下：
線程中每次有方法調用時，會創建Frame，方法調用結束時Frame銷毀。
3）Native Method Stack：本地(原生)方法棧，顧名思義就是調用操作系統原生本地方法時，所需要的內存區域。
上述3類區域，生命周期與Thread相同，即：線程創建時，相應的區域分配內存，線程銷毀時，釋放相應內存。
另一類是所有線程共享的：
1）Heap：即鼎鼎大名的堆內存區，也是GC垃圾回收的主站場，用於存放類的實例對象及Arrays實例等。
2）Method Area：方法區，主要存放類結構、類成員定義，static靜態成員等。
3）Runtime Constant Pool：運行時常量池，比如：字符串，int -128~127範圍的值等，它是Method Area中的一部分。
Heap、Method Area 都是在虛擬機啟動時創建，虛擬機退出時釋放。
註：Method Area 區，虛擬機規範只是說必須要有，但是具體怎麼實現（比如:是否需要垃圾回收? ），交給具體的JVM實現去決定，邏輯上講，視為Heap區的一部分。所以，如果你看見類似下面的圖，也不要覺得畫錯了。
上述6個區域，除了PC Register區不會拋出StackOverflowError或OutOfMemoryError ，其它5個區域，當請求分配的內存不足時，均會拋出OutOfMemoryError（即：OOM），其中thread獨立的JVM Stack區及Native Method Stack區還會拋出StackOverflowError。
最後，還有一類不受JVM虛擬機管控的內存區，這裡也提一下，即：堆外內存。
可以通過Unsafe和NIO包下的DirectByteBuffer來操作堆外內存。如上圖，雖然堆外內存不受JVM管控，但是堆內存中會持有對它的引用，以便進行GC。
提一個問題：總體來看，JVM把內存劃分為「棧(stack)」與「堆(heap)」兩大類，為何要這樣設計？
個人理解，程序運行時，內存中的信息大致分為兩類，一是跟程序執行邏輯相關的指令數據，這類數據通常不大，而且生命周期短；一是跟對象實例相關的數據，這類數據可能會很大，而且可以被多個線程長時間內反覆共用，比如字符串常量、緩存對象這類。
將這兩類特點不同的數據分開管理，體現了軟件設計上「模塊隔離」的思想。好比我們通常會把後端service與前端website解耦類似，也更便於內存管理。
二、GC垃圾回收原理
2.1 如何判斷對象是垃圾 ?
有兩種經典的判斷方法，借用網友的圖（文中最後有給出鏈接）：
引用計數法，思路很簡單，但是如果出現循環引用，即：A引用B，B又引用A，這種情況下就不好辦了，所以JVM中使用了另一種稱為「可達性分析」的判斷方法：
還是剛才的循環引用問題（也是某些公司面試官可能會問到的問題)，如果A引用B，B又引用A，這2個對象是否能被GC回收？
答案：關鍵不是在於A、B之間是否有引用，而是A、B是否可以一直向上追溯到GC Roots。如果與GC Roots沒有關聯，則會被回收，否則將繼續存活。
上圖是一個用「可達性分析」標記垃圾對象的示例圖，灰色的對象表示不可達對象，將等待回收。
2.2 哪些內存區域需要GC ?
在第一部分JVM內存布局中，我們知道了thread獨享的區域：PC Regiester、JVM Stack、Native Method Stack，其生命周期都與線程相同（即：與線程共生死），所以無需GC。線程共享的Heap區、Method Area則是GC關注的重點對象。
2.3 常用的GC算法
1）mark-sweep 標記清除法
如上圖，黑色區域表示待清理的垃圾對象，標記出來後直接清空。該方法簡單快速，但是缺點也很明顯，會產生很多內存碎片。
2）mark-copy 標記複製法
思路也很簡單，將內存對半分，總是保留一塊空着（上圖中的右側），將左側存活的對象（淺灰色區域）複製到右側，然後左側全部清空。避免了內存碎片問題，但是內存浪費很嚴重，相當於只能使用50%的內存。
3）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。
4）generation-collect 分代收集算法
上述三種算法，每種都有各自的優缺點，都不完美。在現代JVM中，往往是綜合使用的，經過大量實際分析，發現內存中的對象，大致可以分為兩類：有些生命周期很短，比如一些局部變量/臨時對象，而另一些則會存活很久，典型的比如websocket長連接中的connection對象，如下圖：
縱向y軸可以理解分配內存的位元組數，橫向x軸理解為隨着時間流逝（伴隨着GC），可以發現大部分對象其實相當短命，很少有對象能在GC後活下來。因此誕生了分代的思想，以Hotspot為例（JDK 7）：
將內存分成了三大塊：年青代（Young Genaration），老年代（Old Generation）,永久代（Permanent Generation），其中Young Genaration更是又細為分eden，S0，S1三個區。
結合我們經常使用的一些jvm調優參數後，一些參數能影響的各區域內存大小值，示意圖如下：
註：jdk8開始，用MetaSpace區取代了Perm區（永久代），所以相應的jvm參數變成-XX:MetaspaceSize 及 -XX:MaxMetaspaceSize。
以Hotspot為例，我們來分析下GC的主要過程：
剛開始時，對象分配在eden區，s0（即：from）及s1（即：to）區，幾乎是空着。
隨着應用的運行，越來越多的對象被分配到eden區。
當eden區放不下時，就會發生minor GC（也被稱為young GC），第1步當然是要先標識出不可達垃圾對象（即：下圖中的黃色塊），然後將可達對象，移動到s0區（即：4個淡藍色的方塊挪到s0區），然後將黃色的垃圾塊清理掉，這一輪過後，eden區就成空的了。
註：這裡其實已經綜合運用了「【標記-清理eden】 + 【標記-複製 eden->s0】」算法。
隨着時間推移，eden如果又滿了，再次觸發minor GC，同樣還是先做標記，這時eden和s0區可能都有垃圾對象了（下圖中的黃色塊），注意：這時s1（即：to）區是空的，s0區和eden區的存活對象，將直接搬到s1區。然後將eden和s0區的垃圾清理掉，這一輪minor GC後，eden和s0區就變成了空的了。
繼續，隨着對象的不斷分配，eden空可能又滿了，這時會重複剛才的minor GC過程，不過要注意的是，這時候s0是空的，所以s0與s1的角色其實會互換，即：存活的對象，會從eden和s1區，向s0區移動。然後再把eden和s1區中的垃圾清除，這一輪完成後，eden與s1區變成空的，如下圖。
對於那些比較「長壽」的對象一直在s0與s1中挪來挪去，一來很佔地方，而且也會造成一定開銷，降低gc效率，於是有了「代齡(age)」及「晉陞」。
對象在年青代的3個區(edge,s0,s1)之間，每次從1個區移到另1區，年齡+1，在young區達到一定的年齡閾值後，將晉陞到老年代。下圖中是8，即：挪動8次後，如果還活着，下次minor GC時，將移動到Tenured區。
下圖是晉陞的主要過程：對象先分配在年青代，經過多次Young GC後，如果對象還活着，晉陞到老年代。
如果老年代，最終也放滿了，就會發生major GC（即Full GC），由於老年代的的對象通常會比較多，因為標記-清理-整理（壓縮）的耗時通常會比較長，會讓應用出現卡頓的現象，這也是為什麼很多應用要優化，盡量避免或減少Full GC的原因。
註：上面的過程主要來自oracle官網的資料，但是有一個細節官網沒有提到，如果分配的新對象比較大，eden區放不下，但是old區可以放下時，會直接分配到old區（即沒有晉陞這一過程，直接到老年代了）。
下圖引自阿里出品的《碼出高效-Java開發手冊》一書，梳理了GC的主要過程。
三、垃圾回收器
不算出現的神器ZGC，歷史上出現過7種經典的垃圾回收器。
這些回收器都是基於分代的，把G1除外，按回收的分代劃分，橫線以上的3種：Serial ,ParNew, Parellel Scavenge都是回收年青代的，橫線以下的3種：CMS，Serial Old, Parallel Old 都是回收老年代的。
3.1 Serial 收集器
單線程用標記-複製算法，快刀斬亂麻，單線程的好處避免上下文切換，早期的機器，大多是單核，也比較實用。但執行期間，會發生STW（Stop The World）。
3.2 ParNew 收集器
Serial的多線程版本，同樣會STW，在多核機器上會更適用。
3.3 Parallel Scavenge 收集器
ParNew的升級版本，主要區別在於提供了兩個參數：-XX:MaxGCPauseMillis 較大垃圾回收停頓時間；-XX:GCTimeRatio 垃圾回收時間與總時間佔比，通過這2個參數，可以適當控制回收的節奏，更關注於吞吐率，即總時間與垃圾回收時間的比例。
3.4 Serial Old 收集器
因為老年代的對象通常比較多，佔用的空間通常也會更大，如果採用複製算法，得留50%的空間用於複製，相當不划算，而且因為對象多，從1個區，複製到另1個區，耗時也會比較長，所以老年代的收集，通常會採用「標記-整理」法。從名字就可以看出來，這是單線程（串行）的， 依然會有STW。
3.5 Parallel Old 收集器
一句話：Serial Old的多線程版本。
3.6 CMS 收集器
全稱：Concurrent Mark Sweep，從名字上看，就能猜出它是並發多線程的。這是JDK 7中廣泛使用的收集器，有必要多說一下，借一張網友的圖說話：
相對3.4 Serial Old收集器或3.5 Parallel Old收集器而言，這個明顯要複雜多了，分為4個階段：
1）Inital Mark 初始標記：主要是標記GC Root開始的下級（註：僅下一級）對象，這個過程會STW，但是跟GC Root直接關聯的下級對象不會很多，因此這個過程其實很快。
2）Concurrent Mark 並發標記：根據上一步的結果，繼續向下標識所有關聯的對象，直到這條鏈上的最盡頭。這個過程是多線程的，雖然耗時理論上會比較長，但是其它工作線程並不會阻塞，沒有STW。
3）Remark 再標誌：為啥還要再標記一次？因為第2步並沒有阻塞其它工作線程，其它線程在標識過程中，很有可能會產生新的垃圾。
試想下，高鐵上的垃圾清理員，從車廂一頭開始吆喝「有需要扔垃圾的乘客，請把垃圾扔一下」，一邊工作一邊向前走，等走到車廂另一頭時，剛才走過的位置上，可能又有乘客產生了新的空瓶垃圾。所以，要完全把這個車廂清理乾淨的話，她應該喊一下：所有乘客不要再扔垃圾了（STW），然後把新產生的垃圾收走。當然，因為剛才已經把收過一遍垃圾，所以這次收集新產生的垃圾，用不了多長時間（即：STW時間不會很長）。
4）Concurrent Sweep：並行清理，這裡使用多線程以「Mark Sweep-標記清理」算法，把垃圾清掉，其它工作線程仍然能繼續支行，不會造成卡頓。
等等，剛才我們不是提到過「標記清理」法，會留下很多內存碎片嗎？確實，但是也沒辦法，如果換成「Mark Compact標記-整理」法，把垃圾清理後，剩下的對象也順便排整理，會導致這些對象的內存地址發生變化，別忘了，此時其它線程還在工作，如果引用的對象地址變了，就天下大亂了。
另外，由於這一步是並行處理，並不阻塞其它線程，所以還有一個副使用，在清理的過程中，仍然可能會有新垃圾對象產生，只能等到下一輪GC，才會被清理掉。
雖然仍不完美，但是從這4步的處理過程來看，以往收集器中最讓人詬病的長時間STW，通過上述設計，被分解成二次短暫的STW，所以從總體效果上看，應用在GC期間卡頓的情況會大大改善，這也是CMS一度十分流行的重要原因。
3.7 G1 收集器
G1的全稱是Garbage-First，為什麼叫這個名字，呆會兒會詳細說明。鑒於CMS的一些不足之外，比如: 老年代內存碎片化，STW時間雖然已經改善了很多，但是仍然有提升空間。G1就橫空出世了，它對於heap區的內存劃思路很新穎，有點算法中分治法「分而治之」的味道。
如下圖，G1將heap內存區，劃分為一個個大小相等（1-32M，2的n次方）、內存連續的Region區域，每個region都對應Eden、Survivor 、Old、Humongous四種角色之一，但是region與region之間不要求連續。
註：Humongous，簡稱H區是專用於存放超大對象的區域，通常>= 1/2 Region Size，且只有Full GC階段，才會回收H區，避免了頻繁掃描、複製/移動大對象。
所有的垃圾回收，都是基於1個個region的。JVM內部知道，哪些region的對象最少（即：該區域最空），總是會優先收集這些region（因為對象少，內存相對較空，肯定快），這也是Garbage-First得名的由來，G即是Garbage的縮寫， 1即First。
G1 Young GC
young GC前：
young GC後：
理論上講，只要有一個Empty Region（空區域），就可以進行垃圾回收。
由於region與region之間並不要求連續，而使用G1的場景通常是大內存，比如64G甚至更大，為了提高掃描根對象和標記的效率，G1使用了二個新的輔助存儲結構：
Remembered Sets：簡稱RSets，用於根據每個region里的對象，是從哪指向過來的（即：誰引用了我），每個Region都有獨立的RSets。（Other Region -> Self Region）。
Collection Sets ：簡稱CSets，記錄了等待回收的Region集合，GC時這些Region中的對象會被回收（copied or moved）。
RSets的引入，在YGC時，將年青代Region的RSets做為根對象，可以避免掃描老年代的region，能大大減輕GC的負擔。註：在老年代收集Mixed GC時，RSets記錄了Old->Old的引用，也可以避免掃描所有Old區。
Old Generation Collection（也稱為 Mixed GC）
按oracle官網文檔描述分為5個階段：Initial Mark(STW) -> Root Region Scan -> Cocurrent Marking -> Remark(STW) -> Copying/Cleanup(STW && Concurrent)
註：也有很多文章會把Root Region Scan省略掉，合併到Initial Mark里，變成4個階段。
存活對象的「初始標記」依賴於Young GC，GC 日誌中會記錄成young字樣。
2019-06-09T15:24:37.086+0800: 500993.392: [GC pause (G1 Evacuation Pause) (young), 0.0493588 secs]
[Parallel Time: 41.9 ms, GC Workers: 8]
[GC Worker Start (ms): Min: 500993393.7, Avg: 500993393.7, Max: 500993393.7, Diff: 0.1]
[Ext Root Scanning (ms): Min: 1.5, Avg: 2.2, Max: 4.4, Diff: 2.8, Sum: 17.2]
[Update RS (ms): Min: 15.8, Avg: 18.1, Max: 18.9, Diff: 3.1, Sum: 144.8]
[Processed Buffers: Min: 110, Avg: 144.9, Max: 163, Diff: 53, Sum: 1159]
[Scan RS (ms): Min: 4.7, Avg: 5.0, Max: 5.1, Diff: 0.4, Sum: 39.7]
[Code Root Scanning (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
[Object Copy (ms): Min: 16.4, Avg: 16.5, Max: 16.6, Diff: 0.2, Sum: 132.0]
[Termination (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
[Termination Attempts: Min: 1, Avg: 4.9, Max: 7, Diff: 6, Sum: 39]
[GC Worker Other (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.1, Diff: 0.1, Sum: 0.3]
[GC Worker Total (ms): Min: 41.7, Avg: 41.8, Max: 41.8, Diff: 0.1, Sum: 334.1]
[GC Worker End (ms): Min: 500993435.5, Avg: 500993435.5, Max: 500993435.5, Diff: 0.0]
[Code Root Fixup: 0.0 ms]
[Code Root Purge: 0.0 ms]
[Clear CT: 0.2 ms]
[Other: 7.2 ms]
[Choose CSet: 0.0 ms]
[Ref Proc: 4.3 ms]
[Ref Enq: 0.1 ms]
[Redirty Cards: 0.1 ms]
[Humongous Register: 0.1 ms]
[Humongous Reclaim: 0.1 ms]
[Free CSet: 0.6 ms]
[Eden: 1340.0M(1340.0M)->0.0B(548.0M) Survivors: 40.0M->64.0M Heap: 2868.2M(12.0G)->1499.8M(12.0G)]
[Times: user=0.35 sys=0.00, real=0.05 secs]
並發標記過程中，如果發現某些region全是空的，會被直接清除。
進入重新標記階段。
並發複製/清查階段。這個階段，Young區和Old區的對象有可能會被同時清理。GC日誌中，會記錄為mixed字段，這也是G1的老年代收集，也稱為Mixed GC的原因。
2019-06-09T15:24:23.959+0800: 500980.265: [GC pause (G1 Evacuation Pause) (mixed), 0.0885388 secs]
[Parallel Time: 74.2 ms, GC Workers: 8]
[GC Worker Start (ms): Min: 500980270.6, Avg: 500980270.6, Max: 500980270.6, Diff: 0.1]
[Ext Root Scanning (ms): Min: 1.7, Avg: 2.2, Max: 4.1, Diff: 2.4, Sum: 17.3]
[Update RS (ms): Min: 11.7, Avg: 13.7, Max: 14.3, Diff: 2.6, Sum: 109.8]
[Processed Buffers: Min: 136, Avg: 141.5, Max: 152, Diff: 16, Sum: 1132]
[Scan RS (ms): Min: 42.5, Avg: 42.9, Max: 43.1, Diff: 0.5, Sum: 343.1]
[Code Root Scanning (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.1]
[Object Copy (ms): Min: 14.9, Avg: 15.2, Max: 15.4, Diff: 0.5, Sum: 121.7]
[Termination (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.1]
[Termination Attempts: Min: 1, Avg: 8.2, Max: 11, Diff: 10, Sum: 66]
[GC Worker Other (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.2]
[GC Worker Total (ms): Min: 74.0, Avg: 74.0, Max: 74.1, Diff: 0.1, Sum: 592.3]
[GC Worker End (ms): Min: 500980344.6, Avg: 500980344.6, Max: 500980344.6, Diff: 0.0]
[Code Root Fixup: 0.0 ms]
[Code Root Purge: 0.0 ms]
[Clear CT: 0.5 ms]
[Other: 13.9 ms]
[Choose CSet: 4.1 ms]
[Ref Proc: 1.8 ms]
[Ref Enq: 0.1 ms]
[Redirty Cards: 0.2 ms]
[Humongous Register: 0.1 ms]
[Humongous Reclaim: 0.1 ms]
[Free CSet: 5.6 ms]
[Eden: 584.0M(584.0M)->0.0B(576.0M) Survivors: 28.0M->36.0M Heap: 4749.3M(12.0G)->2930.0M(12.0G)]
[Times: user=0.61 sys=0.00, real=0.09 secs]
上圖是，老年代收集完後的示意圖。
通過這幾個階段的分析，雖然看上去很多階段仍然會發生STW，但是G1提供了一個預測模型，通過統計方法，根據歷史數據來預測本次收集，需要選擇多少個Region來回收，盡量滿足用戶的預期停頓值（-XX:MaxGCPauseMillis參數可指定預期停頓值）。
註：如果Mixed GC仍然效果不理想，跟不上新對象分配內存的需求，會使用Serial Old GC（Full GC）強制收集整個Heap。
小結：與CMS相比，G1有內存整理過程（標記-壓縮），避免了內存碎片；STW時間可控（能預測GC停頓時間）。
3.8 ZGC （截止目前史上較好的GC收集器）
在G1的基礎上，做了很多改進（JDK 11開始引入）
3.8.1 動態調整大小的Region
G1中每個Region的大小是固定的，創建和銷毀Region，可以動態調整大小，內存使用更高效。
3.8.2 不分代，幹掉了RSets
G1中每個Region需要藉助額外的RSets來記錄「誰引用了我」，佔用了額外的內存空間，每次對象移動時，RSets也需要更新，會產生開銷。
註：ZGC沒有為止，沒有實現分代機制，每次都是並發的對所有region進行回收，不象G1是增量回收，所以用不着RSets。不分代的帶來的可能性能下降，會用下面馬上提到的Colored Pointer && Load Barrier來優化。
3.8.3 帶顏色的指針 Colored Pointer
這裡的指針類似java中的引用，意為對某塊虛擬內存的引用。ZGC採用了64位指針（註：目前只支持Linux 64位系統），將42-45這4個bit位置賦予了不同的含義，即所謂的顏色標誌位，也換為指針的metadata。
finalizable位：僅finalizer（類比c++中的析構函數）可訪問；
remap位：指向對象當前（）的內存地址，參考下面提到的relocation；
marked0 && marked1 位：用於標誌可達對象；
這4個標誌位，同一時刻只會有1個位置是1。每當指針對應的內存數據發生變化，比如內存被移動，顏色會發生變化。
3.8.4 讀屏障 Load Barrier
傳統GC做標記時，為了防止其它線程在標記期間修改對象，通常會簡單的STW。而ZGC有了Colored Pointer後，引入了所謂的讀屏障，當指針引用的內存正被移動時，指針上的顏色就會變化，ZGC會先把指針更新成狀態，然後再返回。（大家可以回想下java中的volatile關鍵字，有異曲同工之妙），這樣僅讀取該指針時可能會略有開銷，而不用將整個heap STW。
3.8.5 重定位 relocation
如上圖，在標記過程中，先從Roots對象找到了直接關聯的下級對象1，2，4。
然後繼續向下層標記，找到了5，8對象， 此時已經可以判定 3，6，7為垃圾對象。
如果按常規思路，一般會將8從最右側的Region移動或複製到中間的Region，然後再將中間Region的3幹掉，最後再對中間Region做壓縮compact整理。但ZGC做得更高明，它直接將4，5複製到了一個空的新Region就完事了，然後中間的2個Region直接廢棄，或理解為「釋放」，做為下次回收的「新」Region。這樣的好處是避免了中間Region的compact整理過程。
最後，指針重新調整為正確的指向（即：remap），而且上一階段的remap與下一階段的mark是混在一起處理的，相對更高效。
Remap的流程圖如下：
3.8.6 多重映射 Multi-Mapping
這個優化，說實話沒完全看懂，只能談下自己的理解（如果有誤，歡迎指正)。虛擬內存與實際物理內存，OS會維護一個映射關係，才能正常使用。如下圖：
zgc的64位顏色指針，在解除映射關係時，代價較高（需要屏蔽額外的42-45的顏色標誌位）。考慮到這4個標誌位，同1時刻，只會有1位置成1（如下圖），另外finalizable標誌位，永遠不希望被解除映射綁定（可不用考慮映射問題）。
所以剩下3種顏色的虛擬內存，可以都映射到同1段物理內存。即映射復用，或者更通俗點講，本來3種不同顏色的指針，哪怕0-41位完全相同，也需要映射到3段不同的物理內存，現在只需要映射到同1段物理內存即可。
3.8.7 支持NUMA架構
NUMA是一種多核服務器的架構，簡單來講，一個多核服務器（比如2core），每個cpu都有屬於自己的存儲器，會比訪問另一個核的存儲器會慢很多（類似於就近訪問更快）。
相對之前的GC算法，ZGC首次支持了NUMA架構，申請堆內存時，判斷當前線程屬是哪個CPU在執行，然後就近申請該CPU能使用的內存。
小結：革命性的ZGC經過上述一堆優化後，每次GC總體卡頓時間按官方說法<10ms。註：啟用zgc，需要設置-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC。
四、實戰練習
前面介紹了一堆理論，最後來做一個小的練習，下面是一段模擬OOM的測試代碼，我們在G1、CMS這二種常用垃圾回收器上試驗一下。
import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class OOMTest {
public static void main(String[] args) {
OOMTest test = new OOMTest();
//heap區OOM測試
//test.heapOOM();
//虛擬機棧和本地方法棧溢出
//test.stackOverflow();
//metaspace OOM測試
//test.metaspaceOOM();
//堆外內存 OOM測試
//test.directOOM();
}
/**
* heap OOM測試
*/
public void heapOOM() {
List<OOMTest> list = new ArrayList<>();
while (true) {
list.add(new OOMTest());
}
}
private int stackLength = 1;
public void stackLeak() {
stackLength += 1;
stackLeak();
}
/**
* VM Stack / Native method Stack 溢出測試
*/
public void stackOverflow() {
OOMTest test = new OOMTest();
try {
test.stackLeak();
} catch (Throwable e) {
System.out.println("stack length:" + test.stackLength);
throw e;
}
}
public void genString() {
List<String> list = new ArrayList<>();
int i = 0;
while (true) {
list.add("string-" + i);
i++;
}
}
/**
* metaspace/常量池 OOM測試
*/
public void metaspaceOOM() {
OOMTest test = new OOMTest();
test.metaspaceOOM();
}
public void allocDirectMemory() {
final int _1MB = 1024 * 1024;
Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
unsafeField.setAccessible(true);
Unsafe unsafe = null;
try {
unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);
} catch (IllegalArgumentException | IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
}
while (true) {
unsafe.allocateMemory(_1MB);
}
}
/**
* 堆外內存OOM測試
*/
public void directOOM() {
OOMTest test = new OOMTest();
test.allocDirectMemory();
}
}
4.1 openjdk 11.0.3 環境：+ G1回收
4.1.1 驗證heap OOM
把main方法中的test.heapOOM()行，注釋打開，然後命令行下運行：
java -Xmx10M -XX:+UseG1GC -Xlog:gc* -Xlog:gc:gc.log -XX:+HeapDumpBeforeFullGC OOMTest.java
最後會輸出：
[1.892s][info][gc ] GC(42) Concurrent Cycle 228.393ms
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
at java.base/java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3689)
at java.base/java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:237)
at java.base/java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:242)
at java.base/java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:485)
at java.base/java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:498)
at oom.OOMTest.heapOOM(OOMTest.java:37)
at oom.OOMTest.main(OOMTest.java:16)
[1.895s][info][gc,heap,exit ] Heap
其中 OutOfMemoryError:Java heap space即表示heap OOM。
4.1.2 驗證stack溢出
把main方法中的test.stackOverflow()行，注釋打開，然後命令行下運行：
java -Xmx20M -Xss180k -XX:+UseG1GC -Xlog:gc* -Xlog:gc:gc.log -XX:+HeapDumpBeforeFullGC OOMTest.java
最後會輸出：
[0.821s][info][gc ] GC(4) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 12M->7M(20M) 5.245ms
[0.821s][info][gc,cpu ] GC(4) User=0.00s Sys=0.00s Real=0.00s
stack length:1699
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
at oom.OOMTest.stackLeak(OOMTest.java:45)
at oom.OOMTest.stackLeak(OOMTest.java:45)
其中 StackOverflowError 即表示stack棧區內存不足，導致溢出。
4.1.3 驗證metaspace OOM
把main方法中的test.metaspaceOOM()行，注釋打開，然後命令行下運行：
java -Xmx20M -XX:MaxMetaspaceSize=10M -XX:+UseG1GC -Xlog:gc* -Xlog:gc:gc.log -XX:+HeapDumpBeforeFullGC OOMTest.java
最後會輸出：
[0.582s][info][gc,metaspace,freelist,oom]
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
[0.584s][info][gc,heap,exit ] Heap
其中 OutOfMemoryError: Metaspace 即表示Metaspace區OOM。
4.1.4 驗證堆外內存OOM
把main方法中的test.directOOM()行，注釋打開，然後命令行下運行：
最後會輸出：
[0.842s][info][gc,cpu ] GC(4) User=0.06s Sys=0.00s Real=0.01s
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError
at java.base/jdk.internal.misc.Unsafe.allocateMemory(Unsafe.java:616)
…
其中OutOfMemoryError行並沒有輸出具體哪個區（註：堆外內存不屬於JVM內存中的任何一個區，所以無法輸出)，但緊接着有一行jdk.internal.misc.Unsafe.allocateMemory 可以看出是「堆外內存直接分配」導致的異常。
4.2 openjdk 1.8.0_212 + CMS回收
jdk1.8下，java命令無法直接運行.java文件，必須先編譯，即：
javac OOMTest.java -encoding utf-8
（註：-encoding utf-8 是為了防止中文注釋javac無法識別）成功後，會生成OOMTest.class文件， 然後再可以參考下面的命令進行測試。
4.2.1 heap OOM測試：
java -Xmx10M -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:gc.log -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError OOMTest
4.2.2 驗證stack溢出
java -Xmx10M -Xss128k -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:gc.log -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError OOMTest
4.2.3 驗證metaspace OOM
java -Xmx20M -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:MaxMetaspaceSize=10M -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:gc.log -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError OOMTest
4.2.4 驗證堆外內存OOM
java -Xmx20M -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:MaxDirectMemorySize=10M -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:gc.log -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError OOMTest
4.3 GC日誌查看工具
生成的gc日誌文件，可以用開源工具GCViewer查看，這是一個純java寫的GUI程序，使用很簡單，File→Open File 選擇gc日誌文件即可。目前支持CMS/G1生成的日誌文件，另外如果GC文件過大時，可能打不開。
GCViewer可以很方便的統計出GC的類型，次數，停頓時間，年青代/老年代的大小等，還有圖表顯示，非常方便。
參考文章：
https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-2.html#jvms-2.5
https://blog.csdn.net/heart_mine/article/details/79495032
https://javapapers.com/core-java/java-jvm-run-time-data-areas/
https://javapapers.com/core-java/java-jvm-memory-types/
https://cloud.tencent.com/developer/article/1152616
https://www.jianshu.com/p/17e72bb01bf1
http://calvin1978.blogcn.com/articles/directbytebuffer.html
https://www.cnkirito.moe/nio-buffer-recycle/
https://www.oracle.com/webfolder/technetwork/tutorials/obe/java/gc01/index.html
http://inbravo.github.io/html/jvm.html
https://www.oracle.com/webfolder/technetwork/tutorials/obe/java/G1GettingStarted/index.html
https://segmentfault.com/a/1190000009783873
https://segmentfault.com/a/1190000016551339
https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/cms.html
https://tech.meituan.com/2016/09/23/g1.html
https://mp.weixin.qq.com/s/KUCs_BJUNfMMCO1T3_WAjw
https://www.baeldung.com/jvm-zgc-garbage-collector
http://xxfox.perfma.com/jvm/
https://wiki.openjdk.java.net/display/zgc/Main
http://cr.openjdk.java.net/~pliden/slides/ZGC-FOSDEM-2018.pdf
http://www.ishenping.com/ArtInfo/43701.html
http://likehui.top/2019/04/11/ZGC-%E7%89%B9%E6%80%A7%E8%A7%A3%E8%AF%BB/
【原文鏈接】http://java.dataguru.cn/article-15078-1.html
