JAVA内存管理

JAVA内存管理

JVM结构

• Class Loader
  类加载器的作用是根据给定的全限定名类名(如
  java.lang.Object)来装载class 文件的内容到Runtime data area 中的method
  area(方法区域)。如HelloWord.java程序然后通过javac编译成class文件,ClassLoader负责加载class文件到内存。
• Execution Engine
  执行引擎也叫做解释器(Interpreter)，执行classes中的指令。任何JVM
  specification 实现(JDK)的核心是Execution engine， 换句话说：Sun 的JDK
  和IBM 的JDK 好坏主要取决于他们各自实现的Execution engine 的好坏。每个
  运行中的线程都有一个Execution engine的实例。
• Native Interface
  本地接口的作用是：与native libraries 交互，是其它编程语言交
  互的接口，如融合C/C++程序。
• Runtime data area
  运行数据区，将程序都被加载到这里，进行运行。JVM的内存管理也就是围绕着Runtime data area区域。下面重点介绍此区域。

JVM内存模型（Runtime data area）

Runtime data area 主要包括五个部分：Heap (堆), Method Area(方法区域),
Java Stack(java 的栈), Program Counter(程序计数器), Native method
stack(本地方法栈)。Heap 和Method Area 是被所有线程的共享使用的；而Java
stack, Program counter 和Native method stack 是以线程为粒度的，每个线
程独自拥。（这里可能出现的异常java.lang.OutOfMemoryError:
Java heap space）

• Heap:每一个java程序有一个jvm实例，一个jvm实例只有一个堆空闲，所有线程共享。这就需要考虑多线程访问堆数据的同步问题。
• Method area：被转载的class信息存储在Method area内存中。当虚
  拟机装载某个类型时，它使用类装载器定位相应的class文件，然后读入这个
  class文件内容并把它传输到虚拟机中。紧接着虚拟机提取其中的类型信息，并
  将这些信息存储到方法区。该类型中的类（静态）变量同样也存储在方法区中。（这里可能出现的异常java.lang.OutOfMemoryError: PermGen full）
• Java Stack：。每当线程调用一个方法的时候，
  就对当前状态作为一个帧保存到java stack 中(压栈)；当一个方法调用返回时，
  从java stack 弹出一个帧(出栈)

public class TestStackOverFlow {
    //Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError  
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("start------------");
        Recursion recursion = new Recursion();
        recursion.doAction(100000);
        System.out.println("end-----------");
    }

    static class Recursion {
        public int doAction(int n) {
            if (n <= 1) {
                return 1;
            }
            return n + doAction(n - 1);
        }
    }
} 

• Program counter：每个运行中的Java 程序，每一个线程都有它自己的PC寄存器。PC 寄存器的内容总是指向下一条将被执行指令的地址，这里的地址可以是一个本地指针，也可以是在方法区中相对应于该方法起始指令的偏移量。
• Native method stack：对于一个运行中的Java 程序而言，它还能会用到一些跟本地方法相关的数据区。
  当某个线程调用一个本地方法时，它就进入了一个全新的并且不再受虚拟机限制
  的世界。本地方法可以通过本地方法接口来访问虚拟机的运行时数据区，不止与
  此，它还可以做任何它想做的事情。比如，可以调用寄存器，或在操作系统中分
  配内存等。总之，本地方法具有和JVM 相同的能力和权限。(这里出现JVM 无法
  控制的内存溢出问题native heap OutOfMemory )

Sun JVM的内存管理

JVM Specification 只是抽象的说明了JVM 实例按照子系统、内存区、数据类型
以及指令这几个术语来描述的，但是规范并非是要强制规定Java 虚拟机实现内
部的体系结构，更多的是为了严格地定义这些实现的外部特征。
Sun JVM 实现中：Runtime data area(JVM 内存) 五个部分中的Java Stack ,
Program Counter, Native method stack 三部分和规范中的描述基本一致；但
对Heap 和Method Area 进行了自己独特的实现，这与Sun JVM的内存管理和Garbage
collector（垃圾回收）机制有关，下面我们来重点介绍。

JVM的分代

备注：

• 新生代中大部分为临时对象，因此采用了复制算法实现，划分为了eden、s0、s1三个区域，或者又称为eden、from、to。
• 通常将对新生代迚行的回收称为Minor GC；对旧生代进行的回收称为Major GC，但由于Major GC除并发GC外均需对整个堆以及持久代进行扫描和回收，因此又称为Full GC。

疑问：Permanent Space属于堆还是Method Area?
Method Area 在HotSpot JVM的实现中属于非堆区，非堆区包括两部分：Permanet Generation和Code Cache，而Method Area属于Permanert Generation的一部分。Permanent Generation用来存储类信息，比如说：class definitions，structures，methods， field， method (data and code) 和 constants。Code Cache用来存储Compiled Code，即编译好的本地代码，在HotSpot JVM中通过JIT(Just In Time) Compiler生成，JIT是即时编译器，他是为了提高指令的执行效率，把字节码文件编译成本地机器代码。对于不同厂家和不同版本的JDK实现有差别，最靠谱的方法还是JVM Specification

更详细的介绍可以参考：http://www.cnblogs.com/duanxz/p/3724120.html

JVM Heap:从广义的角度来说，JVM堆内存在物理上被划分为两个部分Young Generation(年轻代)和Old Generation(老年代)。

• Young Generation(年轻代)
  • 年轻代是存放所有被创建的新对象的区域。当年轻代满了的时候，垃圾回收将被执行。这时的垃圾回收叫做 Minor GC. 年轻代又被划分为三个部分-Eden Memory和两个Survivor Memory区域。
  • 大多数的新创建对象位于年轻代的Eden Memory区域
  • 当Eden区域被对象占满时，Minor GC启动，所有的幸存对象被移动到两个Survivor区域中的一个
  • Minor GC也会检查Survivor区域中的对象，并且也会把它们从一个幸存区域移动到另一个幸存区域中。所以，两个幸存区域（S0,S1）总有一个是空的。
  • 经过多次GC而幸存下来的对象会移动到Old Generation中，这个次数其实是一个对象年龄（Age）计数器，默认为15，通常会设定一个阈值来指定，可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置
• Old Generation(老年代)
  • 老年代中的对象通常生命周期较长，经过了多轮的Minor GC后依然存活，则会被复制到老年代。
• Permanent Generation（永久代）
  • 方法区中的数据存储于永久代中，其垃圾回收主要分两种：常量和无用的类信息,对于常量的回收，只要是没有引用就可以被回收。
  • 对于类信息的回收要满足：类的所有实例被回收；类的ClassLoader被回收；没有通过反射引用该类。

JVM参数说明
(如果你发现上述参数不满足你需求，请读这里，JVM Options Official Page.)
查看命令：jmap–heap [pid]
-Xms：JVM启动时设置初始堆大小，默认是物理内存的1/64；
-Xmx：最大堆大小，默认是物理内存的1/4。默认空余堆内存小于40%时，JVM就会增大堆直到-Xmx的最大限制。一般设置xmx和xms一样，避免每次GC调整堆大小 -Xmn：年轻代大小，剩下的空间分配给老年代
-XX:PermGen：初始永久代大小
-XX:MaxPermGen：最大永久代大小
-XX:SurvivorRatio：Eden区和Survivor区的比率，例如，如果年轻代总共大小为10M，这个参数设置为-XX:SurvivorRatio=2 那么Eden区域获得5M，SO,S1分别是2.5M，默认值为8
-XX:NewRatio：老年代和年轻代的比率，默认值为2
-XX:MaxTenuringThreshold: 用于控制对象在新生代存活的最大次数。默认值15
-XX:PretenureSizeThreshold=x，控制超过多大字节的对象就在old上分配

Garbage Collector

不同厂商的不同版本GC实现会略微不同。下面我们介绍Sun JDK 1.6 HotSpot的版本实现。下面demo代码中会涉及到GC日志,其解读可以参考Understanding Garbage Collection Logs

Serial Copying（串行GC）

单线程收集器，使用单线程完成所有GC工作，没有线程通信，较为高效。使用单处理器机器。JVM client模式下默认GC方式。可通过参数-XX:+UseSerialGC强行指定。

GC触发条件

Minor GC

• eden空间不足

Full GC:

• old空间不足
• perm空间不足
• 显示调用System.gc()

GC触发时的工作

Minor GC:

• 清空eden+from中所有no ref的对象占用的内存
• 将eden+from中所有存活的对象copy到to中
• 在这个过程中一些对象将晋升到old中
  • to放不下的
  • 存活次数超过tenuringthreshold的
• 重新计算Tenuring Threshold
• 单线程做以上所有动作
• 全过程暂停应用

Full GC:

• 如配置了CollectGen0First，则先触发YGC；
• 清空heap中no ref的对象，permgen中已经被卸载的classloader中加载的class的信息；
• 单线程做以上所有动作；
• 全过程暂停应用。

ParNew（并行GC）

Parallel （并行回收GC）

Server模式下默认；YGC: PSYoungGen（Parallel Scavenge） FGC: Parallel MSC。可以通过-XX:+UseParallelGC或-XX:+UseParallelOldGC来强制指定；
– ParallelGC代表FGC为Parallel MSC
– ParallelOldGC代表FGC为Parallel Compacting

GC触发条件

Minor GC

• eden空间不足

Full GC:

• old空间不足
• perm空间不足
• 显示调用System.gc()

GC触发时的工作

Minor GC:

• 和Serial所作的动作基本相同，不同的为多线程在做这些动作；
• 另一不同：MinorGC的时候的最后不仅重新计算Tenuring Threshold，还会重新调整Eden和From的大小。

Full GC:

• 如配置了ScavengeBeforeFullGC(默认)，则先触发YGC；
• MSC: 清空heap中no ref的对象，permgen中已经被卸载的classloader中加载的class的信息，并进行压缩；
• Compacting: 清空heap中部分no ref的对象，permgen中已经被卸载的classloader中加载的class的信息，并进行部分
  压缩；
• 多线程做以上动作。

Concurrent Mark-Sweep (CMS) Collector

• 可用-XX:+UseConcMarkSweepGC来强制指定；
• 优点：在对Old 进行回收时，对应用造成的暂停时间非常短，适合对latency要求高的应用；
• 缺点：1.内存碎片和浮动垃圾；2.Old区上的内存分配效率低；3.回收的整个耗时比较长；4.和应用争抢CPU；

GC触发条件

Minor GC

• eden空间不足

CMS GC

• Old Gen的使用到达一定的比率，默认为92%；
• 配置了CMSClassUnloadingEnabled，且Perm Gen的使用到达一定的比率，默认为92%；
• Hotspot自己根据估计决定是否要触发；
• 在配置了ExplicitGCInvokesConcurrent 的情况下显示调用了System.gc。

Full GC:

• Promotion Failed 或 Concurrent Mode Failure时；

GC触发时的工作

Minor GC:

• 和Serial所作的动作基本相同，不同的为多线程在做这些动作；

CMS GC

• old gen到达比率时只清除old gen中no ref的对象所占用的空间；
• perm gen到达比率时只清除已被清除的classloader加载的class信息；

Full GC: 和Serial动作完全相同。

更多关于GC和GC的算法可以阅读神级文档jvm hotspot内存管理白皮书

参考文献

• JVM specification
• jvm hotspot内存管理白皮书

命令工具

• jstat –gcutil：在运行时查看堆中各个内存区间的变化以及GC的状况
• jmap –heap：可用查看各个内存区间的大小。
• java -version： 查看jvm在server还是client方式运行
• 启动时可添加-XX:+PrintGCDetails–Xloggc: 输出到日志文件来查看GC的状冴，方便想看就看