[JVM]-内存分配与回收策略

本节常见面试题

问题答案在文中都有提到

  • 如何判断对象是否死亡(两种方法)。
  • 简单的介绍一下强引用、软引用、弱引用、虚引用(虚引用与软引用和弱引用的区别、使用软引用能带来的好处)。
  • 如何判断一个常量是废弃常量
  • 如何判断一个类是无用的类
  • 垃圾收集有哪些算法,各自的特点?
  • HotSpot 为什么要分为新生代和老年代?
  • 常见的垃圾回收器有那些?
  • 介绍一下 CMS,G1 收集器。
  • Minor Gc 和 Full GC 有什么不同呢?

导火索

当需要排查各种 内存溢出问题、当垃圾收集成为系统达到更高并发的瓶颈时,我们就需要对这些“自动化”的技术实施必要的监控和调节。

1 揭开 JVM 内存分配与回收的神秘面纱

Java 的自动内存管理主要是针对对象内存的回收和对象内存的分配。同时,Java 自动内存管理最核心的功能是 内存中对象的分配与回收。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此也被称作GC 堆(Garbage Collected Heap).从垃圾回收的角度,由于现在收集器基本都采用分代垃圾收集算法,所以 Java 堆还可以细分为:新生代和老年代:再细致一点有:Eden 空间、From Survivor、To Survivor 空间等。进一步划分的目的是更好地回收内存,或者更快地分配内存。

1 堆空间的基本结构

[JVM]-内存分配与回收策略_第1张图片

1.1 新生代

Eden区
Java新对象的出生地(如果新创建的对象占用内存很大,则直接分配到老
年代)。当 Eden区内存不够的时候就会触发 MinorGC,对新生代区进行
一次垃圾回收。
From Servivor区
上一次 GC 的幸存者,作为这一次 GC 的被扫描者。
To Servivor区
保留了一次 MinorGC 过程中的幸存者。

1.2 MinorGC 的过程(复制->清空->互换)

MinorGC 采用复制算法。

  1. eden、 servicorFrom 复制到 ServicorTo,年龄+1
    首先,把 Eden 和 ServivorFrom 区域中存活的对象复制到 ServicorTo 区域(如果有对象的年
    龄以及达到了老年的标准,则赋值到老年代区),同时把这些对象的年龄+1(如果 ServicorTo 不
    够位置了就放到老年区);
  2. 清空 eden、 servicorFrom
    然后,清空 Eden 和 ServicorFrom 中的对象;
  3. ServicorTo 和 ServicorFrom 互换
    最后, ServicorTo 和 ServicorFrom 互换,原 ServicorTo 成为下一次 GC 时的 ServicorFrom
    区。

1.3 老年代

主要存放应用程序中生命周期长的内存对象。老年代的对象比较稳定,所以 MajorGC 不会频繁执行。在进行 MajorGC 前一般都先进行了一次 MinorGC,使得有新生代的对象晋身入老年代,导致空间不够用时才触发。当无法找到足够大的连续空间分配给新创建的较大对象时也会提前触发一次 MajorGC 进行垃圾回收腾出空间。

1.4 MajorGC

采用标记清除算法。首先扫描一次所有老年代,标记出存活的对象,然后回收没有标记的对象。 MajorGC 的耗时比较长,因为要扫描再回收。 MajorGC 会产生内存碎片,为了减少内存损耗,我们一般需要进行合并或者标记出来方便下次直接分配。当老年代也满了装不下的时候,就会抛出 OOM(Out of Memory)异常。

大部分情况,对象都会首先在 Eden 区域分配,在一次新生代垃圾回收后,如果对象还存活,则会进入 s0 或者 s1,并且对象的年龄还会加 1(Eden 区->Survivor 区后对象的初始年龄变为 1),当它的年龄增加到一定程度(默认为 15 岁),就会被晋升到老年代中。对象晋升到老年代的年龄阈值,可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。

2 内存分配与回收策略

2.1 对象优先在 eden 区分配

目前主流的垃圾收集器都会采用分代回收算法,因此需要将堆内存分为新生代和老年代,这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。

大多数情况下,对象在新生代中 eden 区分配。当 eden 区没有足够空间进行分配时,虚拟机将发起一次 Minor GC.下面我们来进行实际测试以下。

在测试之前我们先来看看 Minor GC 和 Full GC 有什么不同呢?

  • 新生代 GC(Minor GC):指发生新生代的的垃圾收集动作,Minor GC 非常频繁,回收速度一般也比较快。
  • 老年代 GC(Major GC/Full GC):指发生在老年代的 GC,出现了 Major GC 经常会伴随至少一次的 Minor GC(并非绝对),Major GC 的速度一般会比 Minor GC 的慢 10 倍以上。

测试:

public class GCTest {

	public static void main(String[] args) {
		byte[] allocation1, allocation2;
		allocation1 = new byte[30900*1024];
		//allocation2 = new byte[900*1024];
	}
}

通过以下方式运行:

添加的参数:-XX:+PrintGCDetails

运行结果 (红色字体描述有误,应该是对应于 JDK1.7 的永久代):

从上图我们可以看出 eden 区内存几乎已经被分配完全(即使程序什么也不做,新生代也会使用 2000 多 k 内存)。假如我们再为 allocation2 分配内存会出现什么情况呢?

allocation2 = new byte[900*1024];

简单解释一下为什么会出现这种情况: 因为给 allocation2 分配内存的时候 eden 区内存几乎已经被分配完了,我们刚刚讲了当 Eden 区没有足够空间进行分配时,虚拟机将发起一次 Minor GC.GC 期间虚拟机又发现 allocation1 无法存入 Survivor 空间,所以只好通过 分配担保机制 把新生代的对象提前转移到老年代中去,老年代上的空间足够存放 allocation1,所以不会出现 Full GC。执行 Minor GC 后,后面分配的对象如果能够存在 eden 区的话,还是会在 eden 区分配内存。可以执行如下代码验证:

public class GCTest {

	public static void main(String[] args) {
		byte[] allocation1, allocation2,allocation3,allocation4,allocation5;
		allocation1 = new byte[32000*1024];
		allocation2 = new byte[1000*1024];
		allocation3 = new byte[1000*1024];
		allocation4 = new byte[1000*1024];
		allocation5 = new byte[1000*1024];
	}
}

2.2 大对象直接进入老年代

大对象就是需要大量连续内存空间的对象(比如:字符串、数组)。

为什么要这样呢?

为了避免为大对象分配内存时由于分配担保机制带来的复制而降低效率。

2.3 长期存活的对象将进入老年代

既然虚拟机采用了分代收集的思想来管理内存,那么内存回收时就必须能识别哪些对象应放在新生代,哪些对象应放在老年代中。为了做到这一点,虚拟机给每个对象一个对象年龄(Age)计数器。

如果对象在 Eden 出生并经过第一次 Minor GC 后仍然能够存活,并且能被 Survivor 容纳的话,将被移动到 Survivor 空间中,并将对象年龄设为 1.对象在 Survivor 中每熬过一次 MinorGC,年龄就增加 1 岁,当它的年龄增加到一定程度(默认为 15 岁),就会被晋升到老年代中。对象晋升到老年代的年龄阈值,可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。

2.4 动态对象年龄判定

为了更好的适应不同程序的内存情况,虚拟机不是永远要求对象年龄必须达到了某个值才能进入老年代,如果 Survivor 空间中相同年龄所有对象大小的总和大于 Survivor 空间的一半,年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代,无需达到要求的年龄。

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