当通过 Java 命令启动 Java 进程的时候,会为它分配内存。内存的一部分用于创建堆空间,当程序中创建对象的时候,就从堆空间中分配内存。GC 是 JVM 内部的一个进程,回收无效对象的内存用于将来的分配。
JVM包含两个子系统和两个组件
两个子系统为
两个组件为
作用 :首先通过编译器把 Java 代码转换成字节码,类加载器(ClassLoader)再把字节码加载到内存中,将其放在运行时数据区(Runtime data area)的方法区内,而字节码文件只是 JVM 的一套指令集规范,并不能直接交给底层操作系统去执行,因此需要特定的命令解析器执行引擎(Execution Engine),将字节码翻译成底层系统指令,再交由 CPU 去执行,而这个过程中需要调用其他语言的本地库接口(Native Interface)来实现整个程序的功能。
下面是Java程序运行机制详细说明
Java程序运行机制步骤
从上图可以看,java文件通过编译器变成了.class文件,接下来类加载器又将这些.class文件加载到JVM中。
其实可以一句话来解释:类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中,将其放在运行时数据区的方法区内,然后在堆区创建一个 java.lang.Class对象,用来封装类在方法区内的数据结构。
Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它所管理的内存区域划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途,以及创建和销毁的时间,有些区域随着虚拟机进程的启动而存在,有些区域则是依赖线程的启动和结束而建立和销毁。Java 虚拟机所管理的内存被划分为如下几个区域:
浅拷贝(shallowCopy)只是增加了一个指针指向已存在的内存地址,
深拷贝(deepCopy)是增加了一个指针并且申请了一个新的内存,使这个增加的指针指向这个新的内存,使用深拷贝的情况下,释放内存的时候不会因为出现浅拷贝时释放同一个内存的错误。
浅复制:仅仅是指向被复制的内存地址,如果原地址发生改变,那么浅复制出来的对象也会相应的改变。
深复制:在计算机中开辟一块新的内存地址用于存放复制的对象。
堆的物理地址分配对象是不连续的。因此性能慢些。在GC的时候也要考虑到不连续的分配,所以有各种算法。比如,标记-消除,复制,标记-压缩,分代(即新生代使用复制算法,老年代使用标记——压缩)
栈使用的是数据结构中的栈,先进后出的原则,物理地址分配是连续的。所以性能快。
堆因为是不连续的,所以分配的内存是在运行期确认的,因此大小不固定。一般堆大小远远大于栈。
栈是连续的,所以分配的内存大小要在编译期就确认,大小是固定的。
堆存放的是对象的实例和数组。因此该区更关注的是数据的存储
栈存放:局部变量,操作数栈,返回结果。该区更关注的是程序方法的执行。
静态变量放在方法区,静态的对象还是放在堆。
堆对于整个应用程序都是共享、可见的。
栈只对于线程是可见的。所以也是线程私有。他的生命周期和线程相同。
JVM 中堆和栈属于不同的内存区域,使用目的也不同。栈常用于保存方法帧和局部变量,而对象总是在堆上分配。栈通常都比堆小,也不会在多个线程之间共享,而堆被整个 JVM 的所有线程共享。
队列和栈都是被用来预存储数据的。
是描述java方法执行的内存模型,每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。 每一个方法从调用直至执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
栈帧( Frame)是用来存储数据和部分过程结果的数据结构,同时也被用来处理动态链接(Dynamic Linking)、 方法返回值和异常分派( Dispatch Exception)。 栈帧随着方法调用而创建,随着方法结束而销毁——无论方法是正常完成还是异常完成(抛出了在方法内未被捕获的异常)都算作方法结束。
一块较小的内存空间, 是当前线程所执行的字节码的行号指示器,每条线程都要有一个独立的程序计数器,这类内存也称为“线程私有” 的内存。
正在执行 java 方法的话,计数器记录的是虚拟机字节码指令的地址(当前指令的地址) 。如果还是 Native 方法,则为空。这个内存区域是唯一一个在虚拟机中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。
直接内存并不是 JVM 运行时数据区的一部分, 但也会被频繁的使用: 在 JDK 1.4 引入的 NIO 提供了基于 Channel 与 Buffer 的 IO 方式, 它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存, 然后使用DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作(详见: Java I/O 扩展), 这样就避免了在 Java堆和 Native 堆中来回复制数据, 因此在一些场景中可以显著提高性能。
说到对象的创建,首先让我们看看 Java 中提供的几种对象创建方式:
Header | 解释 |
---|---|
使用new关键字 | 调用了构造函数 |
使用Class的newInstance方法 | 调用了构造函数 |
使用Constructor类的newInstance方法 | 调用了构造函数 |
使用clone方法 | 没有调用构造函数 |
使用反序列化 | 没有调用构造函数 |
虚拟机遇到一条new指令时,先检查常量池是否已经加载相应的类,如果没有,必须先执行相应的类加载。类加载通过后,接下来分配内存。若Java堆中内存是绝对规整的,使用“指针碰撞“方式分配内存;如果不是规整的,就从空闲列表中分配,叫做”空闲列表“方式。划分内存时还需要考虑一个问题-并发,也有两种方式: CAS(Compare And Swap,比较并交换)同步处理,或者本地线程分配缓冲(Thread Local Allocation Buffer, TLAB)。然后内存空间初始化操作,接着是做一些必要的对象设置(元信息、哈希码…),最后执行方法。
类加载完成后,接着会在Java堆中划分一块内存分配给对象。内存分配根据Java堆是否规整,有两种方式:
选择哪种分配方式是由 Java 堆是否规整来决定的,而 Java 堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。
对象的创建在虚拟机中是一个非常频繁的行为,哪怕只是修改一个指针所指向的位置,在并发情况下也是不安全的,可能出现正在给对象 A 分配内存,指针还没来得及修改,对象 B 又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。解决这个问题有两种方案:
Java程序需要通过 JVM 栈上的引用访问堆中的具体对象。对象的访问方式取决于 JVM 虚拟机的实现。目前主流的访问方式有 句柄 和 直接指针 两种方式。
指针: 指向对象,代表一个对象在内存中的起始地址。
句柄: 可以理解为指向指针的指针,维护着对象的指针。句柄不直接指向对象,而是指向对象的指针(句柄不发生变化,指向固定内存地址),再由对象的指针指向对象的真实内存地址。
Java堆中划分出一块内存来作为句柄池,引用中存储对象的句柄地址,而句柄中包含了对象实例数据与对象类型数据各自的具体地址信息,具体构造如下图所示:
优势:引用中存储的是稳定的句柄地址,在对象被移动(垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为)时只会改变句柄中的实例数据指针,而引用本身不需要修改。
如果使用直接指针访问,引用 中存储的直接就是对象地址,那么Java堆对象内部的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息。
优势:速度更快,节省了一次指针定位的时间开销。由于对象的访问在Java中非常频繁,因此这类开销积少成多后也是非常可观的执行成本。HotSpot 中采用的就是这种方式。
Java 中,int 类型变量的长度是一个固定值,与平台无关,都是 32 位。意思就是说,在 32 位 和 64 位 的 Java 虚拟机中,int 类型的长度是相同的,都是 32 位或者 4个字节。
JRE 代表 Java 运行时(Java run-time),是运行 Java 引用所必须的。
JDK 代表 Java 开发工具(Java development kit),是 Java 程序的开发工具,如 Java编译器,它也包含 JRE。
JVM 代表 Java 虚拟机(Java virtual machine),它的责任是运行 Java 应用。
JIT 代表即时编译(Just In Time compilation),当代码执行的次数超过一定的阈值时,会将 Java 字节码转换为本地代码,如,主要的热点代码会被准换为本地代码,这样有利大幅度提高 Java 应用的性能。
内存泄漏是指不再被使用的对象或者变量一直被占据在内存中。理论上来说,Java是有GC垃圾回收机制的,也就是说,不再被使用的对象,会被GC自动回收掉,自动从内存中清除。
但是,即使这样,Java也还是存在着内存泄漏的情况,java导致内存泄露的原因很明确:长生命周期的对象持有短生命周期对象的引用就很可能发生内存泄露,尽管短生命周期对象已经不再需要,但是因为长生命周期对象持有它的引用而导致不能被回收,这就是java中内存泄露的发生场景。
在java中,程序员是不需要显示的去释放一个对象的内存的,而是由虚拟机自行执行。在JVM中,有一个垃圾回收线程,它是低优先级的,在正常情况下是不会执行的,只有在虚拟机空闲或者当前堆内存不足时,才会触发执行,扫描那些没有被任何引用的对象,并将它们添加到要回收的集合中,进行回收。
GC 是垃圾收集的意思(Gabage Collection),内存处理是编程人员容易出现问题的地方,忘记或者错误的内存回收会导致程序或系统的不稳定甚至崩溃,Java 提供的 GC 功能可以自动监测对象是否超过作用域从而达到自动回收内存的目的,Java 语言没有提供释放已分配内存的显示操作方法。
java语言最显著的特点就是引入了垃圾回收机制,它使java程序员在编写程序时不再考虑内存管理的问题。
由于有这个垃圾回收机制,java中的对象不再有“作用域”的概念,只有引用的对象才有“作用域”。
垃圾回收机制有效的防止了内存泄露,可以有效的使用可使用的内存。
垃圾回收器通常作为一个单独的低级别的线程运行,在不可预知的情况下对内存堆中已经死亡的或很长时间没有用过的对象进行清除和回收。
程序员不能实时的对某个对象或所有对象调用垃圾回收器进行垃圾回收。
垃圾回收有分代复制垃圾回收、标记垃圾回收、增量垃圾回收。
对于GC来说,当程序员创建对象时,GC就开始监控这个对象的地址、大小以及使用情况。
通常,GC采用有向图的方式记录和管理堆(heap)中的所有对象。通过这种方式确定哪些对象是"可达的",哪些对象是"不可达的"。当GC确定一些对象为"不可达"时,GC就有责任回收这些内存空间。
可以。程序员可以手动执行System.gc(),通知GC运行,但是Java语言规范并不保证GC一定会执行。
不能,虽然你可以调用 System.gc() 或者 Runtime.gc(),但是没有办法保证 GC的执行。
SoftReference<String> softRef=new SoftReference<String>(str); // 软引用
用处: 软引用在实际中有重要的应用,例如浏览器的后退按钮。按后退时,这个后退时显示的网页内容是重新进行请求还是从缓存中取出呢?这就要看具体的实现策略了。
如果一个网页在浏览结束时就进行内容的回收,则按后退查看前面浏览过的页面时,需要重新构建
如果将浏览过的网页存储到内存中会造成内存的大量浪费,甚至会造成内存溢出
如下代码:
Browser prev = new Browser(); // 获取页面进行浏览
SoftReference sr = new SoftReference(prev); // 浏览完毕后置为软引用
if(sr.get()!=null){
rev = (Browser) sr.get(); // 还没有被回收器回收,直接获取
}else{
prev = new Browser(); // 由于内存吃紧,所以对软引用的对象回收了
sr = new SoftReference(prev); // 重新构建
}
String str=new String("abc");
WeakReference<String> abcWeakRef = new WeakReference<String>(str);
str=null;
等价于
str = null;
System.gc();
如果一个对象仅持有虚引用,那么它就和没有任何引用一样,在任何时候都可能被垃圾回收器回收。虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收器回收的活动。
垃圾收集器在做垃圾回收的时候,首先需要判定的就是哪些内存是需要被回收的,哪些对象是「存活」的,是不可以被回收的;哪些对象已经「死掉」了,需要被回收。
一般有两种方法来判断:
引用计数法
可达性分析
当对象对当前使用这个对象的应用程序变得不可触及的时候,这个对象就可以被回收了。
垃圾回收不会发生在永久代,如果永久代满了或者是超过了临界值,会触发完全垃圾回收(Full GC)。如果你仔细查看垃圾收集器的输出信息,就会发现永久代也是被回收的。这就是为什么正确的永久代大小对避免Full GC是非常重要的原因。
Java 堆从 GC 的角度还可以细分为: 新生代(Eden 区、 From Survivor 区和 To Survivor 区)和老年代。
从图中可以看出: 堆大小 = 新生代 + 老年代。其中,堆的大小可以通过参数 –Xms、-Xmx 来指定。
默认的,新生代 ( Young ) 与老年代 ( Old ) 的比例的值为1:2 ( 该值可以通过参数 –XX:NewRatio 来指定 ),即:新生代 ( Young ) = 1/3 的堆空间大小。老年代 ( Old ) = 2/3 的堆空间大小。
其中,新生代 ( Young ) 被细分为 Eden 和 两个 Survivor 区域,这两个 Survivor 区域分别被命名为 from 和 to,以示区分。默认的,Eden: from : to = 8 :1 : 1 ( 可以通过参数–XX:SurvivorRatio 来设定 ),即: Eden = 8/10 的新生代空间大小,from = to = 1/10 的新生代空间大小。
JVM 每次只会使用 Eden 和其中的一块 Survivor 区域来为对象服务,所以无论什么时候,总是有一块Survivor区域是空闲着的。
因此,新生代实际可用的内存空间为 9/10 ( 即90% )的新生代空间。
新生代
是用来存放新生的对象。一般占据堆的 1/3 空间。由于频繁创建对象,所以新生代会频繁触发MinorGC 进行垃圾回收。新生代又分为 Eden区、 ServivorFrom、 ServivorTo 三个区。
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。
Servivor from 区:上一次 GC 的幸存者,作为这一次 GC 的被扫描者。
Servivor to 区:保留了一次 MinorGC 过程中的幸存者。MinorGC 的过程(复制->清空->互换)。MinorGC 采用复制算法。
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 (常常称之为 FULL GC)不会频繁执行。在进行 FULL GC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。
FULL GC 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。 Major 的耗时比较长,因为要扫描再回收。 FULL GC 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。
永久代
指内存的永久保存区域,主要存放 Class 和 Meta(元数据)的信息,Class 在被加载的时候被放入永久区域, 它和存放实例的区域不同,GC 不会在主程序运行期对永久区域进行清理。所以这也导致了永久代的区域会随着加载的 Class 的增多而胀满,最终抛出 OOM 异常。
这样划分的目的是为了使 JVM 能够更好的管理堆内存中的对象,包括内存的分配以及回收。
共享内存区划分
一些参数的配置
垃圾回收不会发生在永久代,如果永久代满了或者是超过了临界值,会触发完全垃圾回收(Full GC)。如果你仔细查看垃圾收集器的输出信息,就会发现永久代也是被回收的。这就是为什么正确的永久代大小对避免Full GC是非常重要的原因。
注:Java8中已经移除了永久代,新加了一个叫做元数据区的native内存区
在 Java8 中, 永久代已经被移除,被一个称为“元数据区”(元空间)的区域所取代。元空间的本质和永久代类似,元空间与永久代之间最大的区别在于: 元空间并不在虚拟机中,而是使用本地内存。因此,默认情况下,元空间的大小仅受本地内存限制。 类的元数据放入native memory, 字符串池和类的静态变量放入 java 堆中, 这样可以加载多少类的元数据就不再由MaxPermSize 控制, 而由系统的实际可用空间来控制。
新生代内存不够用时候发生MGC也叫YGC,JVM内存不够的时候发生FGC
GC最基础的算法有三类: 标记 -清除算法、复制算法、标记-压缩算法,我们常用的垃圾回收器一般都采用分代收集算法。
是一种常见的基础垃圾收集算法,标记无用对象,然后进行清除回收。算法分为标记和清除两个阶段:
标记-清除算法之所以是基础的,是因为后面讲到的垃圾收集算法都是在此算法的基础上进行改进的。
优点:实现简单,不需要对象进行移动。
缺点:标记、清除过程效率低,产生大量不连续的内存碎片,提高了垃圾回收的频率。
为了解决标记-清除算法的效率不高的问题,产生了复制算法。它把可用内存空间划为两个相等的区域,每次只使用其中一个区域。垃圾收集时,遍历当前使用的区域,把存活对象复制到另外一个区域中,最后将当前使用的区域的可回收的对象进行回收。
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。
在新生代中可以使用复制算法,但是在老年代就不能选择复制算法了,因为老年代的对象存活率会较高,这样会有较多的复制操作,导致效率变低。标记-清除算法可以应用在老年代中,但是它效率不高,在内存回收后容易产生大量内存碎片。因此就出现了一种标记-压缩算法(Mark-Compact)算法,与标记-压缩算法不同的是,在标记可回收的对象后将所有存活的对象压缩到内存的一端,使他们紧凑的排列在一起,然后对端边界以外的内存进行回收。回收后,已用和未用的内存都各自一边。
优点:解决了标记-清理算法存在的内存碎片问题。
缺点:仍需要进行局部对象移动,一定程度上降低了效率。
分代收集法是目前大部分 JVM 所采用的方法,其核心思想是根据对象存活的不同生命周期将内存划分为不同的域,一般情况下将 GC 堆划分为老生代(Tenured/Old Generation)和新生代(YoungGeneration)。老生代的特点是每次垃圾回收时只有少量对象需要被回收,新生代的特点是每次垃圾回收时都有大量垃圾需要被回收,因此可以根据不同区域选择不同的算法。
当前商业虚拟机都采用分代收集的垃圾收集算法。分代收集算法,顾名思义是根据对象的存活周期将内存划分为几块。一般包括年轻代、老年代 和 永久代,如图所示:
当前主流 VM 垃圾收集都采用”分代收集” (Generational Collection)算法, 这种算法会根据对象存活周期的不同将内存划分为几块, 如 JVM 中的 新生代、老年代、永久代, 这样就可以根据各年代特点分别采用最适当的 GC 算法
每次垃圾收集都能发现大批对象已死, 只有少量存活. 因此选用复制算法, 只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集
目前大部分 JVM 的 GC 对于新生代都采取 Copying 算法,因为新生代中每次垃圾回收都要回收大部分对象,即要复制的操作比较少,但通常并不是按照 1: 1 来划分新生代。一般将新生代划分为一块较大的 Eden 空间和两个较小的 Survivor 空间(From Space, To Space),每次使用Eden 空间和其中的一块 Survivor 空间,当进行回收时,将该两块空间中还存活的对象复制到另一块 Survivor 空间中。
因为老年代对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保, 就必须采用“标记—清理”或“标记—整理” 算法来进行回收, 不必进行内存复制, 且直接腾出空闲内存。因而采用 Mark-Compact 算法。
如果说垃圾收集算法是内存回收的方法论,那么垃圾收集器就是内存回收的具体实现。下图展示了7种作用于不同分代的收集器,其中用于回收新生代的收集器包括Serial、PraNew、Parallel Scavenge,回收老年代的收集器包括Serial Old、Parallel Old、CMS,还有用于回收整个Java堆的G1收集器。不同收集器之间的连线表示它们可以搭配使用。
Serial(英文连续) 是最基本垃圾收集器,使用复制算法,曾经是JDK1.3.1 之前新生代唯一的垃圾收集器。 Serial 是一个单线程的收集器, 它不但只会使用一个 CPU 或一条线程去完成垃圾收集工作,并且在进行垃圾收集的同时,必须暂停其他所有的工作线程,直到垃圾收集结束。
Serial 垃圾收集器虽然在收集垃圾过程中需要暂停所有其他的工作线程,但是它简单高效,对于限定单个 CPU 环境来说,没有线程交互的开销,可以获得最高的单线程垃圾收集效率,因此 Serial垃圾收集器依然是 java 虚拟机运行在 Client 模式下默认的新生代垃圾收集器。
ParNew 垃圾收集器其实是 Serial 收集器的多线程版本,也使用复制算法,除了使用多线程进行垃圾收集之外,其余的行为和 Serial 收集器完全一样, ParNew 垃圾收集器在垃圾收集过程中同样也要暂停所有其他的工作线程。
ParNew 收集器默认开启和 CPU 数目相同的线程数,可以通过-XX:ParallelGCThreads 参数来限制垃圾收集器的线程数。 【Parallel:平行的】
ParNew 虽然是除了多线程外和Serial 收集器几乎完全一样,但是ParNew垃圾收集器是很多 java虚拟机运行在 Server 模式下新生代的默认垃圾收集器。
Parallel Scavenge 收集器也是一个新生代垃圾收集器,同样使用复制算法,也是一个多线程的垃圾收集器, 它重点关注的是程序达到一个可控制的吞吐量(Thoughput, CPU 用于运行用户代码的时间/CPU 总消耗时间,即吞吐量=运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间)),高吞吐量可以最高效率地利用 CPU 时间,尽快地完成程序的运算任务,主要适用于在后台运算而不需要太多交互的任务。 自适应调节策略也是 ParallelScavenge 收集器与 ParNew 收集器的一个重要区别。吞吐量 = 用户线程时间/(用户线程时间+GC线程时间),如果虚拟机总共运行100分钟,其中垃圾花掉1分钟,吞吐量就是99%。
Serial Old 是 Serial 垃圾收集器年老代版本,它同样是个单线程的收集器,使用标记-整理算法,这个收集器也主要是运行在 Client 默认的java 虚拟机默认的年老代垃圾收集器。在 Server 模式下,主要有两个用途:
新生代 Parallel Scavenge 收集器与 ParNew 收集器工作原理类似,都是多线程的收集器,都使用的是复制算法,在垃圾收集过程中都需要暂停所有的工作线程。新生代 ParallelScavenge/ParNew 与年老代 Serial Old 搭配垃圾收集过程图:
Parallel Old 收集器是Parallel Scavenge的年老代版本,使用多线程的标记-整理算法,在 JDK1.6才开始提供。
在 JDK1.6 之前,新生代使用 ParallelScavenge 收集器只能搭配年老代的 Serial Old 收集器,只能保证新生代的吞吐量优先,无法保证整体的吞吐量, Parallel Old 正是为了在年老代同样提供吞吐量优先的垃圾收集器, 如果系统对吞吐量要求比较高,可以优先考虑新生代Parallel Scavenge和年老代 Parallel Old 收集器的搭配策略。
新生代 Parallel Scavenge 和年老代 Parallel Old 收集器搭配运行过程图
CMS 是英文 Concurrent Mark-Sweep 的简称,是以牺牲吞吐量为代价来获得最短回收停顿时间的垃圾回收器。对于要求服务器响应速度的应用上,这种垃圾回收器非常适合。在启动 JVM 的参数加上“-XX:+UseConcMarkSweepGC”来指定使用 CMS 垃圾回收器。
CMS 使用的是标记-清除的算法实现的,所以在 gc 的时候回产生大量的内存碎片,当剩余内存不能满足程序运行要求时,系统将会出现 Concurrent Mode Failure,临时 CMS 会采用 Serial Old 回收器进行垃圾清除,此时的性能将会被降低。
Concurrent mark sweep(CMS)收集器是一种年老代垃圾收集器,其最主要目标是获取最短垃圾回收停顿时间, 和其他年老代使用标记-整理算法不同,它使用多线程的标记-清除算法。最短的垃圾收集停顿时间可以为交互比较高的程序提高用户体验。CMS 工作机制相比其他的垃圾收集器来说更复杂。整个过程分为以下 4 个阶段:
初始标记
并发标记
重新标记
并发清除
Garbage first 垃圾收集器是目前垃圾收集器理论发展的最前沿成果,相比与 CMS 收集器, G1 收集器两个最突出的改进是:
新生代垃圾回收器一般采用的是复制算法,复制算法的优点是效率高,缺点是内存利用率低;老年代回收器一般采用的是标记-整理的算法进行垃圾回收。
分代回收器有两个分区:老生代和新生代,新生代默认的空间占比总空间的 1/3,老生代的默认占比是 2/3。
新生代使用的是复制算法,新生代里有 3 个分区:Eden、To Survivor、From Survivor,它们的默认占比是 8:1:1,它的执行流程如下:
每次在 From Survivor 到 To Survivor 移动时都存活的对象,年龄就 +1,当年龄到达 15(默认配置是 15)时,升级为老生代。大对象也会直接进入老生代。
老生代当空间占用到达某个值之后就会触发全局垃圾收回,一般使用标记整理的执行算法。以上这些循环往复就构成了整个分代垃圾回收的整体执行流程。
除直接调用System.gc外,触发Full GC执行的情况有如下四种。
老生代空间只有在新生代对象转入及创建为大对象、大数组时才会出现不足的现象,当执行Full GC后空间仍然不足,则抛出如下错误:
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
为避免以上两种状况引起的FullGC,调优时应尽量做到让对象在Minor GC阶段被回收、让对象在新生代多存活一段时间及不要创建过大的对象及数组。
PermanetGeneration中存放的为一些class的信息等,当系统中要加载的类、反射的类和调用的方法较多时,Permanet Generation
可能会被占满,在未配置为采用CMS GC的情况下会执行Full GC。如果经过Full GC仍然回收不了,那么JVM会抛出如下错误信息:
java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
为避免Perm Gen占满造成Full GC现象,可采用的方法为增大Perm Gen空间或转为使用CMS GC。
对于采用CMS进行老生代GC的程序而言,尤其要注意GC日志中是否有promotion failed和concurrent mode failure两种状况,当这两种状况出现时可能会触发Full GC。
promotionfailed是在进行Minor GC时,survivor space放不下、对象只能放入老生代,而此时老生代也放不下造成的;concurrent mode failure是在执行CMS GC的过程中同时有对象要放入老生代,而此时老生代空间不足造成的。
应对措施为:增大survivorspace、老生代空间或调低触发并发GC的比率,但在JDK 5.0+、6.0+的版本中有可能会由于JDK的bug29导致CMS在remark完毕后很久才触发sweeping动作。对于这种状况,可通过设置-XX:CMSMaxAbortablePrecleanTime=5(单位为ms)来避免。
这是一个较为复杂的触发情况,Hotspot为了避免由于新生代对象晋升到旧生代导致旧生代空间不足的现象,在进行Minor GC时,做了一个判断,如果之前统计所得到的Minor GC晋升到旧生代的平均大小大于旧生代的剩余空间,那么就直接触发Full GC。
例如程序第一次触发MinorGC后,有6MB的对象晋升到旧生代,那么当下一次Minor GC发生时,首先检查旧生代的剩余空间是否大于6MB,如果小于6MB,则执行Full GC。
当新生代采用PSGC时,方式稍有不同,PS GC是在Minor GC后也会检查,例如上面的例子中第一次Minor GC后,PS GC会检查此时旧生代的剩余空间是否大于6MB,如小于,则触发对旧生代的回收。除了以上4种状况外,对于使用RMI来进行RPC或管理的Sun JDK应用而言,默认情况下会一小时执行一次Full GC。可通过在启动时通过- java-Dsun.rmi.dgc.client.gcInterval=3600000来设置Full GC执行的间隔时间或通过-XX:+ DisableExplicitGC来禁止RMI调用System.gc
所谓自动内存管理,最终要解决的也就是内存分配和内存回收两个问题。前面我们介绍了内存回收,这里我们再来聊聊内存分配。
对象的内存分配通常是在 Java 堆上分配(随着虚拟机优化技术的诞生,某些场景下也会在栈上分配,后面会详细介绍),对象主要分配在新生代的 Eden 区,如果启动了本地线程缓冲,将按照线程优先在 TLAB 上分配。少数情况下也会直接在老年代上分配。总的来说分配规则不是百分百固定的,其细节取决于哪一种垃圾收集器组合以及虚拟机相关参数有关,但是虚拟机对于内存的分配还是会遵循以下几种「普世」规则:
多数情况,对象都在新生代 Eden 区分配。当 Eden 区分配没有足够的空间进行分配时,虚拟机将会发起一次 Minor GC。如果本次 GC 后还是没有足够的空间,则将启用分配担保机制在老年代中分配内存。
这里我们提到 Minor GC,如果你仔细观察过 GC 日常,通常我们还能从日志中发现 Major GC/Full GC。
所谓大对象是指需要大量连续内存空间的对象,频繁出现大对象是致命的,会导致在内存还有不少空间的情况下提前触发 GC 以获取足够的连续空间来安置新对象。
前面我们介绍过新生代使用的是标记-清除算法来处理垃圾回收的,如果大对象直接在新生代分配就会导致 Eden 区和两个 Survivor 区之间发生大量的内存复制。因此对于大对象都会直接在老年代进行分配。
虚拟机采用分代收集的思想来管理内存,那么内存回收时就必须判断哪些对象应该放在新生代,哪些对象应该放在老年代。因此虚拟机给每个对象定义了一个对象年龄的计数器,如果对象在 Eden 区出生,并且能够被 Survivor 容纳,将被移动到 Survivor 空间中,这时设置对象年龄为 1。对象在 Survivor 区中每「熬过」一次 Minor GC 年龄就加 1,当年龄达到一定程度(默认 15) 就会被晋升到老年代。
虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存,并对数据进行校验,解析和初始化,最终形成可以被虚拟机直接使用的java类型。
Java中的所有类,都需要由类加载器装载到JVM中才能运行。类加载器本身也是一个类,而它的工作就是把class文件从硬盘读取到内存中。在写程序的时候,我们几乎不需要关心类的加载,因为这些都是隐式装载的,除非我们有特殊的用法,像是反射,就需要显式的加载所需要的类。
类装载方式,有两种 :
隐式装载, 程序在运行过程中当碰到通过new 等方式生成对象时,隐式调用类装载器加载对应的类到jvm中,
显式装载, 通过class.forname()等方法,显式加载需要的类
Java类的加载是动态的,它并不会一次性将所有类全部加载后再运行,而是保证程序运行的基础类(像是基类)完全加载到jvm中,至于其他类,则在需要的时候才加载。这当然就是为了节省内存开销。
JVM 中类的装载是由类加载器(ClassLoader)和它的子类来实现的,Java 中的类加载器是一个重要的 Java 运行时系统组件,它负责在运行时查找和装入类文件中的类。
由于 Java 的跨平台性,经过编译的 Java 源程序并不是一个可执行程序,而是一个或多个类文件。当 Java 程序需要使用某个类时,JVM 会确保这个类已经被加载、连接(验证、准备和解析)和初始化。类的加载是指把类的.class 文件中的数据读入到内存中,通常是创建一个字节数组读入.class 文件,然后产生与所加载类对应的 Class 对象。
加载完成后,Class 对象还不完整,所以此时的类还不可用。当类被加载后就进入连接阶段,这一阶段包括验证、准备(为静态变量分配内存并设置默认的初始值)和解析(将符号引用替换为直接引用)三个步骤。最后 JVM 对类进行初始化,包括:
类的加载是由类加载器完成的,类加载器包括:根加载器(BootStrap)、扩展加载器(Extension)、系统加载器(System)和用户自定义类加载器(java.lang.ClassLoader 的子类)。
从 Java 2(JDK 1.2)开始,类加载过程采取了父亲委托机制(PDM)。PDM 更好的保证了 Java 平台的安全性,在该机制中,JVM 自带的Bootstrap 是根加载器,其他的加载器都有且仅有一个父类加载器。类的加载首先请求父类加载器加载,父类加载器无能为力时才由其子类加载器自行加载。JVM 不会向 Java 程序提供对 Bootstrap 的引用。下面是关于几个类加载器的说明:
JVM 类加载机制分为五个部分:加载,验证,准备,解析,初始化,下面我们就分别来看一下这五个过程。
加载是类加载过程中的一个阶段, 这个阶段会在内存中生成一个代表这个类的 java.lang.Class 对象, 作为方法区这个类的各种数据的入口。注意这里不一定非得要从一个 Class 文件获取,这里既可以从 ZIP 包中读取(比如从 jar 包和 war 包中读取),也可以在运行时计算生成(动态代理),也可以由其它文件生成(比如将 JSP 文件转换成对应的 Class 类)。
这一阶段的主要目的是为了确保 Class 文件的字节流中包含的信息是否符合当前虚拟机的要求,并且不会危害虚拟机自身的安全。
准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量的初始值阶段,即在方法区中分配这些变量所使用的内存空间。注意这里所说的初始值概念,比如一个类变量定义为:
实际上变量 v 在准备阶段过后的初始值为 0 而不是 8080, 将 v 赋值为 8080 的 put static 指令是程序被编译后, 存放于类构造器方法之中。
但是注意如果声明为:public static final int v = 8080;
在编译阶段会为 v 生成 ConstantValue 属性,在准备阶段虚拟机会根据 ConstantValue 属性将 v赋值为 8080。
解析阶段是指虚拟机将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程。符号引用就是 class 文件中的:
等类型的常量。
符号引用
直接引用
初始化阶段是类加载最后一个阶段,前面的类加载阶段之后,除了在加载阶段可以自定义类加载器以外,其它操作都由 JVM 主导。到了初始阶段,才开始真正执行类中定义的 Java 程序代码。
初始化阶段是执行类构造器方法的过程。 方法是由编译器自动收集类中的类变量的赋值操作和静态语句块中的语句合并而成的。虚拟机会保证子方法执行之前,父类的方法已经执行完毕, 如果一个类中没有对静态变量赋值也没有静态语句块,那么编译器可以不为这个类生成() 方法。注意以下几种情况不会执行类初始化:
类装载分为以下 5 个步骤:
类加载器 就是根据指定全限定名称将class文件加载到JVM内存,转为Class对象。
如果一个类加载器收到类加载的请求,它首先不会自己去尝试加载这个类,而是把这个请求委派给父类加载器完成。每个类加载器都是如此,只有当父加载器在自己的搜索范围内找不到指定的类时(即ClassNotFoundException),子加载器才会尝试自己去加载。
当一个类收到了类加载请求时,不会自己先去加载这个类,而是将其委派给父类,由父类去加载,如果此时父类不能加载,反馈给子类,由子类去完成类的加载。
在这里,先想一下,如果没有双亲委派,那么用户是不是可以自己定义一个java.lang.Object的同名类,java.lang.String的同名类,并把它放到ClassPath中,那么类之间的比较结果及类的唯一性将无法保证,因此,为什么需要双亲委派模型?防止内存中出现多份同样的字节码
打破双亲委派机制则不仅要继承ClassLoader类,还要重写loadClass和findClass方法。
Java虚拟机是一个可以执行Java字节码的虚拟机进程。Java源文件被编译成能被Java虚拟机执行的字节码文件。 Java被设计成允许应用程序可以运行在任意的平台,而不需要程序员为每一个平台单独重写或者是重新编译。Java虚拟机让这个变为可能,因为它知道底层硬件平台的 指令长度和其他特性。
JDK 自带了很多监控工具,都位于 JDK 的 bin 目录下,其中最常用的是 jconsole 和 jvisualvm 这两款视图监控工具。
Sun JDK监控和故障处理命令有jps jstat jmap jhat jstack jinfo
常用调优工具分为两类,jdk自带监控工具:jconsole和jvisualvm,第三方有:MAT(Memory AnalyzerTool)、GChisto。
java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:MaxPermSize=16m -XX:NewRatio=4 -XX:SurvivorRatio=4 -XX:MaxTenuringThreshold=0
-Xmx3550m: 最大堆大小为3550m。
-Xms3550m: 设置初始堆大小为3550m。
-Xmn2g: 设置年轻代大小为2g。
-Xss128k: 每个线程的堆栈大小为128k。
-XX:MaxPermSize: 设置持久代大小为16m
-XX:NewRatio=4: 设置年轻代(包括Eden和两个Survivor区)与年老代的比值(除去持久代)。
-XX:SurvivorRatio=4: 设置年轻代中Eden区与Survivor区的大小比值。设置为4,则两个Survivor区与一个Eden区的比值为2:4,一个Survivor区占整个年轻代的1/6
-XX:MaxTenuringThreshold=0: 设置垃圾最大年龄。如果设置为0的话,则年轻代对象不经过Survivor区,直接进入年老代。
-XX:+UseParallelGC-XX:ParallelGCThreads=20-XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=5-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection:
-XX:+UseParallelGC: 选择垃圾收集器为并行收集器。
-XX:ParallelGCThreads=20: 配置并行收集器的线程数
-XX:+UseConcMarkSweepGC: 设置年老代为并发收集。
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction:由于并发收集器不对内存空间进行压缩、整理,所以运行一段时间以后会产生“碎片”,使得运行效率降低。此值设置运行多少次GC以后对内存空间进行压缩、整理。
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection: 打开对年老代的压缩。可能会影响性能,但是可以消除碎片
-XX:+PrintGC-XX:+PrintGCDetails
-XX:+PrintGC 输出形式:
-XX:+PrintGCDetails 输出形式: