JVM 中的内存划分、GC 回收机制与分代回收策略

JVM 中的内存划分

模块一:JVM 与 DVM 必知必会
1、程序运行时,内存到底是如何进行分配的?
(1)程序计数器(Program Counter Register)
Java 程序是多线程的,CPU 可以在多个线程中分配执行时间片段。当某一个线程被 CPU 挂起时,需要记录代码已经执行到的位置,方便 CPU 重新执行此线程时,知道从哪行指令开始执行。这就是程序计数器的作用。
(2)虚拟机栈的初衷是用来描述 Java 方法执行的内存模型,每个方法被执行的时候,JVM 都会在虚拟机栈中创建一个栈帧;
而每个栈帧内部包含局部变量表、操作数栈、动态连接、返回地址等。
(3)本地方法栈和上面介绍的虚拟栈基本相同,只不过是针对本地(native)方法
(4)Java 堆(Heap)是 JVM 所管理的内存中最大的一块,该区域唯一目的就是存放对象实例,几乎所有对象的实例都在堆里面分配,因此它也是 Java 垃圾收集器(GC)管理的主要区域,有时候也叫作“GC 堆”(关于堆的 GC 回收机制将会在后续课时中做详细介绍)。同时它也是所有线程共享的内存区域,因此被分配在此区域的对象如果被多个线程访问的话,需要考虑线程安全问题。
(5)方法区:方法区主要是存储已经被 JVM 加载的类信息(版本、字段、方法、接口)、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码和数据。该区域同堆一样,也是被各个线程共享的内存区域。
Java1.7和之前用“永久区”实现,Java1.8之后用“元空间(metaspace)”实现。JVM 中的内存划分、GC 回收机制与分代回收策略_第1张图片
总结:堆和方法区是线程共享数据区。

模块二 GC 回收机制与分代回收策略
1、 GC 回收机制
可达性分析算法是从离散数学中的图论引入的,JVM 把内存中所有的对象之间的引用关系看作一张图,通过一组名为”GC Root"的对象作为起始点,从这些节点开始向下搜索,搜索所走过的路径称为引用链,最后通过判断对象的引用链是否可达来决定对象是否可以被回收。
在 Java 中,有以下几种对象可以作为 GC Root:
Java 虚拟机栈(局部变量表)中的引用的对象。
方法区中静态引用指向的对象。
仍处于存活状态中的线程对象。
Native 方法中 JNI 引用的对象。

全局变量同静态变量不同,它不会被当作 GC Root。
2、如何回收垃圾?
标记清除算法(Mark and Sweep GC)
从”GC Roots”集合开始,将内存整个遍历一次,保留所有可以被 GC Roots 直接或间接引用到的对象,而剩下的对象都当作垃圾对待并回收,过程分两步。

Mark 标记阶段:找到内存中的所有 GC Root 对象,只要是和 GC Root 对象直接或者间接相连则标记为灰色(也就是存活对象),否则标记为黑色(也就是垃圾对象)。
Sweep 清除阶段:当遍历完所有的 GC Root 之后,则将标记为垃圾的对象直接清除。
优点:实现简单,不需要将对象进行移动。
缺点:这个算法需要中断进程内其他组件的执行(stop the world),并且可能产生内存碎片,提高了垃圾回收的频率。

复制算法(Copying)
将现有的内存空间分为两快,每次只使用其中一块,在垃圾回收时将正在使用的内存中的存活对象复制到未被使用的内存块中。之后,清除正在使用的内存块中的所有对象,交换两个内存的角色,完成垃圾回收。
优点:按顺序分配内存即可,实现简单、运行高效,不用考虑内存碎片。
缺点:可用的内存大小缩小为原来的一半,对象存活率高时会频繁进行复制。

标记-压缩算法 (Mark-Compact)
需要先从根节点开始对所有可达对象做一次标记,之后,它并不简单地清理未标记的对象,而是将所有的存活对象压缩到内存的一端。最后,清理边界外所有的空间。因此标记压缩也分两步完成:

Mark 标记阶段:找到内存中的所有 GC Root 对象,只要是和 GC Root 对象直接或者间接相连则标记为灰色(也就是存活对象),否则标记为黑色(也就是垃圾对象)。
Compact 压缩阶段:将剩余存活对象按顺序压缩到内存的某一端。
优点:这种方法既避免了碎片的产生,又不需要两块相同的内存空间,因此,其性价比比较高。
缺点:所谓压缩操作,仍需要进行局部对象移动,所以一定程度上还是降低了效率。

JVM分代回收策略

Java 虚拟机根据对象存活的周期不同,把堆内存划分为几块,一般分为新生代、老年代,这就是 JVM 的内存分代策略。注意: 在 HotSpot 中除了新生代和老年代,还有永久代

分代回收的中心思想就是:对于新创建的对象会在新生代中分配内存,此区域的对象生命周期一般较短。如果经过多次回收仍然存活下来,则将它们转移到老年代中。

年轻代(Young Generation)

新生成的对象优先存放在新生代中,新生代对象朝生夕死,存活率很低,在新生代中,常规应用进行一次垃圾收集一般可以回收 70%~95% 的空间,回收效率很高。新生代中因为要进行一些复制操作,所以一般采用的 GC 回收算法是复制算法。

新生代又可以继续细分为 3 部分:Eden、Survivor0(简称 S0)、Survivor1(简称S1)。这 3 部分按照 8:1:1 的比例来划分新生代。
这 3 块区域的内存分配过程如下:
绝大多数刚刚被创建的对象会存放在 Eden 区;
当 Eden 区第一次满的时候,会进行垃圾回收。首先将 Eden区的垃圾对象回收清除,并将存活的对象复制到 S0,此时 S1是空的;
下一次 Eden 区满时,再执行一次垃圾回收。此次会将 Eden和 S0区中所有垃圾对象清除,并将存活对象复制到 S1,此时 S0变为空;
如此反复在 S0 和 S1之间切换几次(默认 15 次)之后,如果还有存活对象。说明这些对象的生命周期较长,则将它们转移到老年代中.
年老代(Old Generation)

一个对象如果在新生代存活了足够长的时间而没有被清理掉,则会被复制到老年代。老年代的内存大小一般比新生代大,能存放更多的对象。如果对象比较大(比如长字符串或者大数组),并且新生代的剩余空间不足,则这个大对象会直接被分配到老年代上。

我们可以使用 -XX:PretenureSizeThreshold 来控制直接升入老年代的对象大小,大于这个值的对象会直接分配在老年代上。老年代因为对象的生命周期较长,不需要过多的复制操作,所以一般采用标记压缩的回收算法。

注意:对于老年代可能存在这么一种情况,老年代中的对象有时候会引用到新生代对象。这时如果要执行新生代 GC,则可能需要查询整个老年代上可能存在引用新生代的情况,这显然是低效的。所以,老年代中维护了一个 512 byte 的 card table,所有老年代对象引用新生代对象的信息都记录在这里。每当新生代发生 GC 时,只需要检查这个 card table 即可,大大提高了性能。

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