java基础-JVM(堆内存)

前言

        与C语言不同，Java内存（堆内存）的分配与回收由JVM垃圾收集器自动完成，这个特性深受大家欢迎，能够帮助程序员更好的编写代码，本文以HotSpot虚拟机为例，说一说Java GC的那些事。

 

Java堆内存

        我们知道Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，所有对象实例和数组都在堆上进行内存分配。为了进行高效的垃圾回收，虚拟机把堆内存划分成新生代（Young Generation）、老年代（Old Generation）和永久代（Permanent Generation）3个区域。

 

新生代

        新生代由 Eden 与 Survivor Space（S0，S1）构成，大小通过-Xmn参数指定，Eden 与 Survivor Space 的内存大小比例默认为8:1，可以通过-XX:SurvivorRatio 参数指定，比如新生代为10M 时，Eden分配8M，S0和S1各分配1M。

 

        Eden：希腊语，意思为伊甸园，在圣经中，伊甸园含有乐园的意思，根据《旧约·创世纪》记载，上帝耶和华照自己的形像造了第一个男人亚当，再用亚当的一个肋骨创造了一个女人夏娃，并安置他们住在了伊甸园。

 

        大多数情况下，对象在Eden中分配，当Eden没有足够空间时，会触发一次Minor GC，虚拟机提供了-XX:+PrintGCDetails参数，告诉虚拟机在发生垃圾回收时打印内存回收日志。

 

Survivor：意思为幸存者，是新生代和老年代的缓冲区域。

 

        当新生代发生GC（Minor GC）时，会将存活的对象移动到S0内存区域，并清空Eden区域，当再次发生Minor GC时，将Eden和S0中存活的对象移动到S1内存区域。

 

        存活对象会反复在S0和S1之间移动，当对象从Eden移动到Survivor或者在Survivor之间移动时，对象的GC年龄自动累加，当GC年龄超过默认阈值15时，会将该对象移动到老年代，可以通过参数-XX:MaxTenuringThreshold 对GC年龄的阈值进行设置。

 

老年代

        老年代的空间大小即-Xmx 与-Xmn 两个参数之差，用于存放经过几次Minor GC之后依旧存活的对象。当老年代的空间不足时，会触发Major GC/Full GC，速度一般比Minor GC慢10倍以上。

 

永久代

        在JDK8之前的HotSpot实现中，类的元数据如方法数据、方法信息（字节码，栈和变量大小）、运行时常量池、已确定的符号引用和虚方法表等被保存在永久代中，32位默认永久代的大小为64M，64位默认为85M，可以通过参数-XX:MaxPermSize进行设置，一旦类的元数据超过了永久代大小，就会抛出OOM异常。

 

        虚拟机团队在JDK8的HotSpot中，把永久代从Java堆中移除了，并把类的元数据直接保存在本地内存区域（堆外内存），称之为元空间。

 

这样做有什么好处？

        有经验的同学会发现，对永久代的调优过程非常困难，永久代的大小很难确定，其中涉及到太多因素，如类的总数、常量池大小和方法数量等，而且永久代的数据可能会随着每一次Full GC而发生移动。

 

        而在JDK8中，类的元数据保存在本地内存中，元空间的最大可分配空间就是系统可用内存空间，可以避免永久代的内存溢出问题，不过需要监控内存的消耗情况，一旦发生内存泄漏，会占用大量的本地内存。

 

ps：JDK7之前的HotSpot，字符串常量池的字符串被存储在永久代中，因此可能导致一系列的性能问题和内存溢出错误。在JDK8中，字符串常量池中只保存字符串的引用。

 

如何判断对象是否存活

        GC动作发生之前，需要确定堆内存中哪些对象是存活的，一般有两种方法：引用计数法和可达性分析法。

 

1、引用计数法

        在对象上添加一个引用计数器，每当有一个对象引用它时，计数器加1，当使用完该对象时，计数器减1，计数器值为0的对象表示不可能再被使用。

 

引用计数法实现简单，判定高效，但不能解决对象之间相互引用的问题。

 

public class GCtest {

    private Object instance = null;

    private static final int _10M = 10 * 1 << 20;

    // 一个对象占10M，方便在GC日志中看出是否被回收

    private byte[] bigSize = new byte[_10M];

 

    public static void main(String[] args) {

        GCtest objA = new GCtest();

        GCtest objB = new GCtest();

 

        objA.instance = objB;

        objB.instance = objA;

 

        objA = null;

        objB = null;

 

        System.gc();

    }

}

 

通过添加-XX:+PrintGC参数，运行结果：

[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 26982K->1194K(75776K)] 26982K->1202K(249344K), 0.0010103 secs]

 

从GC日志中可以看出objA和objB虽然相互引用，但是它们所占的内存还是被垃圾收集器回收了。

 

2、可达性分析法

        通过一系列称为 “GC Roots” 的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，搜索路径称为 “引用链”，以下对象可作为GC Roots：

        本地变量表中引用的对象

        方法区中静态变量引用的对象

        方法区中常量引用的对象

        Native方法引用的对象

 

当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链时，意味着该对象可以被回收。

 

在可达性分析法中，判定一个对象objA是否可回收，至少要经历两次标记过程：

 

        1、如果对象objA到 GC Roots没有引用链，则进行第一次标记。

        2、如果对象objA重写了finalize()方法，且还未执行过，那么objA会被插入到F-Queue队列中，由一个虚拟机自动创建的、低优先级的Finalizer线程触发其finalize()方法。finalize()方法是对象逃脱死亡的最后机会，GC会对队列中的对象进行第二次标记，如果objA在finalize()方法中与引用链上的任何一个对象建立联系，那么在第二次标记时，objA会被移出“即将回收”集合。

 

看看具体实现

 

public class FinalizerTest {

    public static FinalizerTest object;

    public void isAlive() {

        System.out.println("I'm alive");

    }

 

    @Override

    protected void finalize() throws Throwable {

        super.finalize();

        System.out.println("method finalize is running");

        object = this;

    }

 

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        object = new FinalizerTest();

 

        // 第一次执行，finalize方法会自救

        object = null;

        System.gc();

 

        Thread.sleep(500);

        if (object != null) {

            object.isAlive();

        } else {

            System.out.println("I'm dead");

        }

 

        // 第二次执行，finalize方法已经执行过

        object = null;

        System.gc();

 

        Thread.sleep(500);

        if (object != null) {

            object.isAlive();

        } else {

            System.out.println("I'm dead");

        }

    }

}

 

 

执行结果：

 

method finalize is runningI'm aliveI'm dead

 

从执行结果可以看出：

 

第一次发生GC时，finalize方法的确执行了，并且在被回收之前成功逃脱；

第二次发生GC时，由于finalize方法只会被JVM调用一次，object被回收。

当然了，在实际项目中应该尽量避免使用finalize方法。

 

拓展：

   利用JConsole工具监控java程序内存和JVM

一．找到java应用程序对应的进程PID

linux:   ps -ef|grep java
windows: netstat -ano|findstr "java"

二．启动JConsole监控工具

方法一：

打开cmd命令窗口，进入jdk安装路径下/bin目录，

输入命令：JConsole “PID号” 如图：

如图自动启动并打开JConsole监控界面：

方法二：进入jdk安装目录bin目录下，双击运行JConsole.exe程序，选择应用程序对应的PID程序连接或双击即可

三．对图表进行性能分析

JConsole主要是监控java应用程序，它是jdk自带的工具，一个基于JMX用于连接正在运行的JVM，会启动com.sun.management.jmxremote实现默认地JMX管理客户端。

1）  概要

概要界面可以实时查看java应用程序的堆内存使用情况、线程、类以及CPU使用情况，如图：

2）  内存

内存界面可以在图表选择“堆内存使用情况”和“非堆内存使用情况”实时图，并显示内存详细信息：使用内存、分配：最大值等，如图：

PS：重点关注使用内存的占比，使用内存与最大值之间的合理比值为1:3，已使用内存不能大于1/2最大值，否则内存存在瓶颈。

3）  线程

线程图不是重点关注，只关注该线程情况，并可以检测是否有死锁线程。

4）  类

类图并不是重点关注图，与应用程序类的多少有关，无固定值。

1）  VM摘要

VM摘要图是观察JVM使用情况图

堆是由Java虚拟机（JVM，下文提到的JVM特指Sun hotspot JVM）用来存放Java类、对象和静态成员的内存空间，Java程序中创建的所有对象都在堆中分配空间，堆只用来存储对象，应用程序通过存放在堆栈（Stack）内的引用来访问堆数据，一个JVM进程只能拥有一个堆。JVM通过-Xms和-Xmx参数分别设置堆的初始值和最大值。

此图需要关注分析当前堆大小、堆大小的最大值、分配的内存，以及物理总内存和可用物理内存。