一、概念
1、JVM記憶體模型
首先老規矩，祭上一張自己畫的記憶體模型圖
畫的比較簡陋，簡單介紹一下，整個JVM占用的記憶體可分為兩個大區，分别是線程共享區和線程私有區，線程共享區和JVM同生共死，所有線程均可通路此區域；而線程私有區顧名思義每個線程各自占有，與各自線程同生共死。這兩個大區内部根據JVM規範定義又分為以下幾個區：
方法區（Method Area）
方法區主要是放一下類似類定義、常量、編譯後的代碼、靜态變量等，在JDK1.7中，HotSpot VM的實作就是将其放在永久代中，這樣的好處就是可以直接使用堆中的GC算法來進行管理，但壞處就是經常會出現記憶體溢出，即PermGen Space異常，是以在JDK1.8中，HotSpot VM取消了永久代，用元空間取而代之，元空間直接使用本地記憶體，理論上電腦有多少記憶體它就可以使用多少記憶體，是以不會再出現PermGen Space異常。
堆（Heap）
幾乎所有對象、數組等都是在此配置設定記憶體的，在JVM記憶體中占的比例也是極大的，也是GC垃圾回收的主要陣地，平時我們說的什麼新生代、老年代、永久代也是指的這片區域，至于為什麼要進行分代後面會解釋。
虛拟機棧（Java Stack）
當JVM在執行方法時，會在此區域中建立一個棧幀來存放方法的各種資訊，比如傳回值，局部變量表和各種對象引用等，方法開始執行前就先建立棧幀入棧，執行完後就出棧。
本地方法棧（Native Method Stack）
和虛拟機棧類似，不過差別是專門提供給Native方法用的。
程式計數器（Program Counter Register）
占用很小的一片區域，我們知道JVM執行代碼是一行一行執行位元組碼，是以需要一個計數器來記錄目前執行的行數。
2、堆記憶體
堆記憶體是JVM記憶體中占用較大的一塊區域，對象都在此地配置設定記憶體。在堆中，又分為新生代及老年代，新生代中又分三個區域，分别是Eden，Survivor To,Survivor From。堆記憶體是JVM調優的重點區域，也是這篇部落格重點讨論的内容。
3、提出問題
可能看到這裡我們都會産生這樣一個經典問題
為何堆記憶體要進行分代？
最簡單的回收方式（标記-回收算法）
假設堆記憶體不進行分代，那麼垃圾回收應該如何進行呢？我們可以大膽想象一下，在一大片記憶體空間中我們配置設定了若幹個對象（假設圖中一個黑色方塊代表一個位元組，配置設定的對象均占用兩個位元組）
此時堆記憶體滿了，是時候來一波垃圾回收操作了，通過某種分析算法，我們分析到某幾個對象是需要進行回收（下述此類對象稱之為回收對象），我們讓無用對象就地清除，回收後的結果如下：
我們可以看到，回收後的記憶體支離破碎的，雖然現在還有八個位元組的記憶體空間，但隻要有三個位元組或以上的對象需要申請記憶體，那麼這片支離破碎依舊無法為其配置設定記憶體，因為沒有連續的空間。
第一次演化（複制算法）
既然我們沒法回收出連續的空間，那我們可以從一開始就把記憶體分兩個大區，平時隻用其中一個區，如下圖
當左邊記憶體區滿時，就開始一波回收操作，找到那些無需回收的對象（下述稱此類對象為存活對象），将它們工工整整地複制到右邊的區域中，接着将左邊的區域來次大清理，清理後的結果如下：
這樣當需要再配置設定記憶體給對象時，就使用右邊的區域，而右邊的區域此時也有8個位元組的連續空間供配置設定，當右邊滿了，再如法炮制，将存活對象複制到左邊再将右邊回收。貌似這樣就解決了問題了，但是總感覺有什麼地方不對，是的沒錯，每次隻使用一半的記憶體，未免也太浪費了！
第二次演化（标記-壓縮算法）
我們依舊不分區，将整個記憶體用滿， 開始回收垃圾時，我們将存活對象全部移動到左邊，然後對邊界外的記憶體進行清理，如下圖
這算是一種折中的做法，起碼比第一次演化中的做法更加充分使用記憶體，也比最開始的做法的空閑記憶體更加連續。
在這裡我們可以再往下思考，在第一次演化中，如果每次回收對象特别多，而存活對象特别少，那麼隻需要通過少數的複制操作和一次清除就可以實作回收，此時效率會特别高。而在第二次演化中，如果每次回收對象較少，而存活對象較多，則可以采取此政策進行回收確定最終剩餘的空間是連續的空間。
到這裡其實并不足夠完善，畢竟上述幾種演化都有缺點和優點，有沒有辦法可以取長補短呢？
在開發中，其實我們可以發現，大多數對象都是在方法體中new出來，new完使用後就不再使用了，此時該對象即可進行回收。是以這一類的對象有個特點就是朝生夕死。假如在方法執行完，該對象的引用還被持有着，證明該對象是比較重要的對象，越到後面要回收則越來越困難。這個情況不就剛好符合上述兩種演化的情況，當對象剛出生時，我們可以将其使用演化一的方式進行回收，當使用演化一的方式回收不了的對象，則證明該對象為比較重要的對象，我們就可以采用演化二的方式進行回收。這樣我們可以對我們的記憶體進行分區
第一次分區
當new對象時，記憶體均從上圖右上方的區域申請，當右上方的記憶體區域滿時，則進行一次複制算法進行垃圾回收。從上面的思考我們知道，絕大多數新對象都有朝生夕死的特點，是以在這次的垃圾回收中，存活的對象寥寥無幾，然後存活的對象全部塞到右下方區域。在下一次垃圾回收到來時，根據上述分析，之前存活的對象絕大多數還會繼續存活，我們将經曆過一次垃圾回收的對象年齡+1，可見大多數的對象都熬不過兩歲，一般在一歲時就被回收了。而當對象經曆了多次垃圾回收仍然存活，此時它很難被回收了，我們可以将其移到左邊的區域，另外右邊上下倆區域都滿了時，則通過垃圾回收将存活對象的那一邊區域也移動到左邊區域中。當左邊區域滿時，可通過标記-壓縮算法進行垃圾回收。在這種分區方式中，左側區域稱之為老年代，而右側區域則為新生代。新生代使用複制算法進行一次垃圾回收，稱之為Minor GC,而複制完後如果老年代區域不夠，也會觸發老年代使用标記-壓縮算法進行垃圾回收，稱之為Major GC,一般Major GC會伴随着Minor GC，是以也稱為Full GC。
在上述分區中，新生代仍然隻有一半的區域可以用，之前使用一半區域的原因是考慮到有可能所有對象都是存活對象，這樣才足夠完全複制，但現在有老年代的存在，再考慮到此區域每一次回收時僅有少數對象需要複制，分區方式是否還有優化的空間呢？
第二次分區
這個分區是在第一次分區的基礎上，将新生代分為三部分，分别是伊甸園、幸存區S0，幸存區S1，伊甸園記憶體占比為8:1:1，S0與S1大小相同。對象的一生如下：
①所有對象都在伊甸園出生，當伊甸園占滿時，開始進行一次Minor GC,此次GC會将已存活的對象複制到S0區中
②伊甸園區又被占滿，此時又進行一次Minor GC，伊甸園存活的對象又複制到S0區。
③在若幹次GC後，幸存區S0也滿了，此時Minor GC會對伊甸園和幸存區S0的
做一次垃圾回收，将兩個區存活的對象複制到幸存區S1中，再把伊甸園和S0清空，最後把S1的記憶體與S0交換，此時S1又騰空了，S0剩下一些老對象。
④又經曆若幹次GC，幸存區S0已經放滿了經曆過N次GC都回收不了的老對象，此時會将老對象複制到老年代中，騰空幸存區。
⑤并非當幸存區被老對象占滿才複制到老年代中，當老對象年齡達到15歲，即經曆過15次GC都還活着的，也會複制到老年代中，另外伊甸園中如果誕生了一個比幸存區還大的對象，那麼該對象回收不了時，也會直接送入到老年代中。
⑥又經曆過若幹次GC後，老年代也滿了，那麼此時它會進行一次Major GC。
動圖示範
上述過程使用文字描述可能比較抽象，下面用動圖簡單來示範一次Minor GC。
二、垃圾回收涉及的算法
在垃圾回收中，涉及的算法主要有以下五個
- 引用計數算法
- 可達性分析
- 标記-回收算法
- 标記-壓縮算法
-
複制算法
前兩個算法用于判斷對象是否需要回收，其原理簡單講，引用計數算法就是計算對象被誰引用，一旦有其它對象引用此對象，引用次數加一，而GC時引用次數大于零的對象則判斷為存活對象，但此算法無法解決循環引用問題，如A引用B，B引用A，此時A與B均無法回收，是以現在JVM不采用此算法；而可達性算法則從GCRoot出發，若A引用B，B引用C，則通過A可以到達C，此時ABC三個對象均不進行回收。後面的三個算法為回收政策，其思路在第一章有提及，在這裡就不加贅述，下面總結一下三個算法優缺點：
| 算法 | 優點 | 缺點 |
|---|---|---|
| 标記-回收算法 | 暫無 | 标記和清除效率低、可用空間不連續 |
| 标記-壓縮算法 | 實作簡單，運作高效 | 記憶體空間利用不充分 |
| 複制算法 | 記憶體空間使用率高 | 性能較低 |
三、JVM常用參數
- Xss：每個線程的棧大小
- Xms：堆空間的初始值
- Xmx：堆空間最大值、預設為實體記憶體的1/4，一般Xms與Xmx最好一樣
- Xmn：年輕代的大小
- XX:NewRatio ：新生代和年老代的比例
- XX:SurvivorRatio ：伊甸園區和幸存區的占用比例
- XX:PermSize：設定記憶體的永久儲存區域（1.8已廢除）
- XX:MetaspaceSize：1.8使用此參數替代上述參數
- XX:MaxPermSize：設定最大記憶體的永久儲存區域（1.8已廢除）
- XX:MaxMetaspaceSize：1.8使用此參數替代上述參數
四、附錄-示範代碼
此代碼為第一章中動圖所使用的測試代碼
public class OutOfMemoryErrorTest {
public static void main(String[] args) throws Throwable {
Random r = new Random();
List<TestObject[]> testObjectList = new ArrayList<TestObject[]>();
while (true) {
try {
TestObject[] testObjects = new TestObject[];
// 模拟30%左右的對象為有用對象
if (r.nextInt() > ) {
testObjectList.add(testObjects);
}
Thread.sleep();
} catch (Throwable t) {
throw t;
}
}
}
}
class TestObject {
private String name;
private int age;
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public int getAge() {
return age;
}
public void setAge(int age) {
this.age = age;
}
}