【Java内存模型与GC】：IKM测试点深入探讨与回顾


参考资源链接：[Java IKM在线测试：Spring IOC与多线程实战](https://wenku.csdn.net/doc/6412b4c1be7fbd1778d40b43?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. Java内存模型基础

Java内存模型是Java程序运行的基础，它定义了多线程如何共享内存和如何进行线程通信。理解Java内存模型对于编写高效和正确并发程序至关重要。

## 1.1 Java内存模型的构成

Java内存模型主要由以下几个部分构成：
- 主内存（Main Memory）：存储所有共享变量的地方，对所有线程可见。
- 工作内存（Working Memory）：每个线程有自己私有的工作内存，它保存了被该线程使用到的变量的主内存副本。

## 1.2 内存交互操作

Java内存模型规定了以下几种内存操作：
- `read`：把一个变量的值从主内存传输到工作内存中。
- `load`：在`read`操作之后执行，把`read`得到的值放入工作内存的变量副本中。
- `use`：把工作内存中的一个变量的值传递给执行引擎。
- `assign`：将执行引擎接收到的值赋给工作内存中的变量。
- `store`：把工作内存的一个变量的值传送到主内存中。
- `write`：在`store`操作后执行，将`store`操作得到的值放入主内存的变量中。
- `lock`：作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。
- `unlock`：作用于主内存变量，它将一个处于锁定状态的变量释放出来。

通过这些基本操作，Java内存模型定义了程序中变量的访问规则，使得多线程可以安全地进行交互。这些规则不仅约束了程序员编写并发代码时的行为，也是JVM实现并发的基础。

理解这些基本操作有助于深入理解Java内存模型，对于掌握Java并发编程具有重要的意义。在后续章节中，我们将探讨更多关于Java内存模型的高级话题，例如垃圾收集器的工作原理、JVM内存模型的实践应用等。

# 2. 垃圾收集器的工作原理

垃圾收集器是Java虚拟机（JVM）内存管理的核心组件之一，负责回收不再使用的对象所占用的内存空间。理解垃圾收集器的工作原理是进行Java性能调优的重要一环。本章节将深入分析垃圾收集算法、垃圾收集器的类型和特性，以及如何选择和调优垃圾收集器。

## 2.1 垃圾收集算法概述

垃圾收集算法是垃圾收集器的基础，它规定了对象的回收规则和内存空间的整理方式。常见的垃圾收集算法包括引用计数法、标记-清除算法和复制算法。

### 2.1.1 引用计数法

引用计数法是一种简单的回收机制，它为每一个对象设置一个引用计数器，每当有一个新的引用指向这个对象时，计数器加一；每当引用失效时，计数器减一。当计数器的值为零时，表示该对象不再被任何引用所指向，即可以被安全回收。

引用计数法的优点在于回收速度快，可以即时回收不再使用的对象。然而，这种算法有一个明显的缺点：当两个对象相互引用而不被外部引用时，这两个对象的计数器都不会为零，从而导致内存泄漏。

### 2.1.2 标记-清除算法

标记-清除算法分为两个阶段：首先是标记阶段，标记所有活动对象；其次是清除阶段，回收未被标记的对象所占用的内存空间。这种方法不需要对象的复制，也不需要维护一个计数器，但它存在两个主要问题：效率问题和内存碎片问题。

效率问题指的是标记和清除两个阶段都需要遍历整个堆空间，当堆空间较大时，效率会显著下降。内存碎片问题则是由于清除操作导致的不连续的内存空间，这会增加后续内存分配的复杂度。

### 2.1.3 复制算法

复制算法将内存分为两个相等的半区，每次只使用其中的一个半区。当一个半区满了时，就将还存活的对象复制到另一个半区，然后清除原半区中的所有对象。复制算法避免了内存碎片问题，并且由于只扫描存活对象，其效率高于标记-清除算法。

但复制算法也有其缺点，它要求堆内存必须是均匀划分的，这样就意味着有一半的内存始终处于空闲状态，不能被有效利用。

## 2.2 垃圾收集器的类型和特性

Java虚拟机提供了多种垃圾收集器，每种垃圾收集器都有其特定的应用场景和优缺点。了解不同垃圾收集器的类型和特性对于选择合适的垃圾收集器至关重要。

### 2.2.1 串行垃圾收集器

串行垃圾收集器是最基本的垃圾收集器，它在单线程环境下工作，且在收集过程中会暂停所有应用线程，这一过程被称为Stop-The-World（STW）。串行收集器适用于单核处理器的环境，并且对于小数据量的堆内存效果较好。

串行收集器的优点在于简单和高效，但由于其STW的特点，在多核处理器或者内存较大的系统中，可能导致较长的停顿时间，从而影响用户体验。

### 2.2.2 并行垃圾收集器

并行垃圾收集器使用多线程进行垃圾收集，能够有效地利用多核处理器的优势。在进行垃圾收集时，它同样会引起应用线程的暂停，但它能够在较短的时间内完成垃圾收集工作，适用于多核处理器的服务器环境。

并行收集器的并行特性能够显著提高垃圾收集的吞吐量，即单位时间内完成的工作量。然而，它仍然无法避免STW的情况，因此对于对停顿时间敏感的应用来说，并行收集器可能不是最佳选择。

### 2.2.3 并发垃圾收集器

并发垃圾收集器的目标是减少应用停顿的时间，它能够在应用线程运行的同时进行垃圾收集工作。并发垃圾收集器通过减少STW的时长来降低对应用性能的影响。

并发垃圾收集器的优势在于降低了停顿时间，从而提高用户体验。但是，由于它需要在垃圾收集过程中与应用线程共享CPU资源，因此对系统资源有更高的要求。此外，由于并发执行垃圾收集，它可能会增加应用程序的总响应时间。

## 2.3 垃圾收集器的选择和调优

选择合适的垃圾收集器并进行调优，可以显著提高应用的性能和稳定性。不同的垃圾收集器有各自的特点，选择时需要根据应用的具体需求和环境进行权衡。

### 2.3.1 各种垃圾收集器的性能比较

在选择垃圾收集器之前，需要对各种垃圾收集器的性能特点进行比较。性能比较的指标包括吞吐量、停顿时间以及内存占用等。例如：

- 吞吐量：衡量应用执行时间与垃圾收集时间的比率，高吞吐量意味着应用执行时间较长，垃圾收集时间较短。
- 停顿时间：垃圾收集器在进行垃圾收集过程中导致的暂停应用的最长时间。
- 内存占用：垃圾收集器在运行时所需的额外内存空间。

### 2.3.2 垃圾收集器的参数调整和监控

为了达到最佳的垃圾收集效果，可以对垃圾收集器进行参数调整，常见的参数包括：

- `-Xmx` 和 `-Xms`：分别用于设置堆的最大值和初始值。
- `-XX:+Use<CollectorName>`：启用特定的垃圾收集器。
- `-XX:+PrintGCDetails`：打印详细的垃圾收集日志信息。