JVM的GC简介和实例

 

原文:http://www.searchtb.com/2013/07/jvm-gc-introduction-examples.html?spm=0.0.0.0.waKEDN

本文是一次内部分享中总结了jvm gc的分类和一些实例, 内容是introduction级别的,供初学人士参考.
成文仓促,难免有些错误,如果有大牛发现,请留言,我一定及时更正,谢谢!
JVM内存布局主要包含下面几个部分：

1. Java Virtual Machine Stack: 也就是我们常见的局部变量栈，线程私有，保存线程执行的局部变量表、操作栈、动态连接等。
2. Java Heap：我们最常打交道的内存区域，几乎所有对象的实例都在这个区域分配。所谓的GC基本上也就是跟这个区域打交道。
3. Method Area：包含被虚拟机加载的类、常量、静态变量等数据。

Hotspot虚拟机使用分代收集算法，将Java Heap根据对象的存活周期分为多个区域：新生代、老生代和永生代。

新生代和老生代位于Java heap中，是垃圾收集器主要处理的内存区域。

永生代则基本上等价于Method Area，也就是说其中包含的数据在jvm进程存活期间会一直存在，一般不会发生变化。

java堆内存的布局如下图所示：

使用jstat可以查看某个java进程的内存状况：

chendeMacBook-Air:~ eleforest$ jstat -gc 16136
 S0C    S1C    S0U    S1U      EC       EU        OC         OU       PC     PU    YGC     YGCT    FGC    FGCT     GCT
1024.0 1024.0  0.0    0.0    8192.0   2867.9   10240.0      0.0     21248.0 2637.2      0    0.000   0      0.000    0.000

其中各个指标介绍如下：（单位为KB）

• S0C,S1C,S0U,S1U: 0/1幸存区(survivor)容量(C:Capacity)/使用量（U:Used)。
• EC,EU: Eden(伊甸)区容量/用量。Eden和survivor两个区域位于新生代，由于新生代GC一般是使用复制算法进行清理，因此按照复制算法的原理将新生代分成了3个区域：Eden、Survivor0、Survivor1。Hotspot虚拟机的3个空间缺省配比为:8:1:1,jvm只会使用eden和1个survivor作为新生代空间.当新生代空间不足时发生minor gc,此时根据复制算法, jvm会首先 1）将eden和from survivor中存活的对象拷贝到to survior中，然后2）释放eden和from中的所有需要回收对象，最后3）调换from/to survior，jvm将eden和新的from survior作为新生代。当然上述minor gc顺利执行还取决于很多因素，这里只描述了最理想化的状态。
• OC,OU: Old(老生代）容量/用量。老生代常用的垃圾收集器有CMS、Serial Old、Parallel Old等
• PC,PU: Perm(永生代）容量/用量。
• YGC/YGCT: Young GC次数和总耗费时间。Young GC也就是Minor GC，新生代中内存不够时触发，通常采用复制算法进行，回收速度较快，对系统的影响较小。
• FGC/FGCT：Full GC次数和总耗费时间。Full GC是在java heap空间不足（包括New和Old区域）时触发，会分别清理新生代、老生代，通常耗时较长，对系统有较大影响，应该尽量避免。
• GCT：GC总耗时。

常用的垃圾收集器包括下面几个

• Serial：最基本，历史最悠久的收集器，单线程收集垃圾内存，在新生代采用复制算法，在老生代使用标记-整理算法
• ParNew：Serial的多线程版本，主要用于新生代收集。与CMS收集器配合成为现在最常用的server收集器
• Parallel Scavenge：也是一个并行收集器，使用与ParNew完全不同的收集策略，具体的差别还在研究中
• CMS：Concurrent Mark Sweep收集器，大名鼎鼎，其目标是获取最短回收停顿时间，是server模式下最常用的收集器
• G1：最新的收集器，木有用过啊

下面将会用一段简单的程序演示jvm在配置使用不同的收集器情况下，GC行为的不同点，通过GC的行为能够了解到不同收集器的收集策略和行为。代码非常简单：

//jvm basic args:-Xmx20M -Xms20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
    byte [] alloc1,alloc2,alloc3,alloc4;
    alloc1 = new byte [ 2 * 1024 * 1024 ];
    Thread.sleep( 2000 );
    alloc2 = new byte [ 2 * 1024 * 1024 ];
    Thread.sleep( 2000 );
    alloc3 = new byte [ 2 * 1024 * 1024 ];
    Thread.sleep( 2000 );
    alloc4 = new byte [ 2 * 1024 * 1024 ];
    Thread.sleep( 2000 );
    }
}

其中上例中的jvm参数解释如下：

Xmx	最大堆容量，包含了新生代和老生代的堆容量
Xms	最小堆容量，此时配置与Xmx一样，避免了申请空间时的堆扩展
Xmn	新生代容量，包含eden，survivor1，survivor2三个区域
PrintGCDetails	让jvm在每次发生gc的时候打印日志，利于分析gc的原因和状况
SurvivorRatio	新生代中eden的比例，如果设置为8，意味着新生代中eden占据80%的空间，两个survivor分别占据10%

测试环境为mac os 10.8，jdk版本如下：

chendeMacBook-Air:~ eleforest$ java -version
java version "1.7.0_09"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.7.0_09-b05)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 23.5-b02, mixed mode)

• 示例1：让jvm自动选择收集器

直接运行上述代码，用jstat观察gc情况如下：

chendeMacBook-Air:~ eleforest$ jstat -gc 21729 1000
 S0C    S1C    S0U    S1U      EC       EU        OC         OU       PC     PU    YGC     YGCT    FGC    FGCT     GCT
1024.0 1024.0  0.0    0.0    8192.0   819.9    10240.0      0.0     21248.0 2637.2      0    0.000   0      0.000    0.000
1024.0 1024.0  0.0    0.0    8192.0   2867.9   10240.0      0.0     21248.0 2637.2      0    0.000   0      0.000    0.000
1024.0 1024.0  0.0    0.0    8192.0   2867.9   10240.0      0.0     21248.0 2637.2      0    0.000   0      0.000    0.000
1024.0 1024.0  0.0    0.0    8192.0   4915.9   10240.0      0.0     21248.0 2637.2      0    0.000   0      0.000    0.000
1024.0 1024.0  0.0    0.0    8192.0   4915.9   10240.0      0.0     21248.0 2637.2      0    0.000   0      0.000    0.000
1024.0 1024.0  0.0    0.0    8192.0   6963.9   10240.0      0.0     21248.0 2637.2      0    0.000   0      0.000    0.000
1024.0 1024.0  0.0    0.0    8192.0   6963.9   10240.0      0.0     21248.0 2637.2      0    0.000   0      0.000    0.000
1024.0 1024.0  0.0   292.9   8192.0   2375.9   10240.0     6144.0   21248.0 2640.3      1    0.007   0      0.000    0.007
1024.0 1024.0  0.0   292.9   8192.0   2375.9   10240.0     6144.0   21248.0 2640.3      1    0.007   0      0.000    0.007

由上述的结果可见，程序启动时，Eden使用了819.9K的空间（我现在还不知道819k是什么东西的开销），S1、S2、老生代均没有占用，永生代则使用了2.6MB空间，其中包含了包含被虚拟机加载的类、常量、静态变量等数据。
随后连续三次申请了2MB的空间，这些数据都被放到了Eden区域，这就是jvm内存分配的第一个原则：对象优先在Eden分配，这个原则只在Eden空间足够，且申请的内存小于jvm参数PretenureSizeThreshold设置值时生效（根据采用的收集器不同，还会有很多不同情况）
注意看第四次申请2MB空间，此时由于Eden空间无法容纳新的数组，因此发生了一次Minor GC，具体的GC log如下所示：

[GC [DefNew: 6963K->292K(9216K), 0.0065350 secs] 6963K->6436K(19456K), 0.0065940 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.00 secs]
Heap
 def new generation   total 9216K, used 2832K [0x0000000112230000, 0x0000000112c30000, 0x0000000112c30000)
  eden space 8192K,  31% used [0x0000000112230000, 0x00000001124aaf60, 0x0000000112a30000)
  from space 1024K,  28% used [0x0000000112b30000, 0x0000000112b793b0, 0x0000000112c30000)
  to   space 1024K,   0% used [0x0000000112a30000, 0x0000000112a30000, 0x0000000112b30000)
 tenured generation   total 10240K, used 6144K [0x0000000112c30000, 0x0000000113630000, 0x0000000113630000)
   the space 10240K,  60% used [0x0000000112c30000, 0x0000000113230030, 0x0000000113230200, 0x0000000113630000)
 compacting perm gen  total 21248K, used 2647K [0x0000000113630000, 0x0000000114af0000, 0x0000000118830000)
   the space 21248K,  12% used [0x0000000113630000, 0x00000001138c5ec0, 0x00000001138c6000, 0x0000000114af0000)
No shared spaces configured.

其中第一行中的"DefNew"代表使用的收集器是Serial收集器，这次Minor GC使用copy算法，做了下面几件事情：

• 检索heap中的对象，将还能通过GC roots能够遍历到的对象copy到to区中
• 如果需要copy的对象没法进入from区中，则将其晋升到老年代，本例中即发生了这种情况，3个2MB的数组全部晋升到老生代（OU：6144）
• 清理eden和from中无用的垃圾
• 互换from和to空间

比较有意思的是,在我的机器上重新再跑一次示例程序,发生了不一致的gc行为：

[GC [PSYoungGen: 6963K->384K(9216K)] 6963K->6528K(19456K), 0.0052500 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs]
[Full GC [PSYoungGen: 384K->0K(9216K)] [ParOldGen: 6144K->6436K(10240K)] 6528K->6436K(19456K) [PSPermGen: 2637K->2635K(21248K)], 0.0157270 secs] [Times: user=0.04 sys=0.00, real=0.02 secs]
HeapA
 PSYoungGen      total 9216K, used 2539K [0x00000001106d0000, 0x00000001110d0000, 0x00000001110d0000)
  eden space 8192K, 31% used [0x00000001106d0000,0x000000011094af60,0x0000000110ed0000)
  from space 1024K, 0% used [0x0000000110ed0000,0x0000000110ed0000,0x0000000110fd0000)
  to   space 1024K, 0% used [0x0000000110fd0000,0x0000000110fd0000,0x00000001110d0000)
 ParOldGen       total 10240K, used 6436K [0x000000010fcd0000, 0x00000001106d0000, 0x00000001106d0000)
  object space 10240K, 62% used [0x000000010fcd0000,0x0000000110319278,0x00000001106d0000)
 PSPermGen       total 21248K, used 2645K [0x000000010aad0000, 0x000000010bf90000, 0x000000010fcd0000)
  object space 21248K, 12% used [0x000000010aad0000,0x000000010ad65688,0x000000010bf90000)

GC log第一行的PSYoungGen意味着这次运行中jvm自动选择了Parallel Scavenge收集器，GC行为发生了变化，同样的内存请求，PS收集器除了一次Minor GC以外，还发生了一次Full GC。PS收集器的实现与serial不一致，其行为模式还需要进一步研究.
比较吊诡的是jvm的自动选择行为，我阅读了openjdk的源码，版本为：openjdk-7-fcs-src-b147-27_jun_2011
其中关于jvm自动选择gc的代码如下：

if (os::is_server_class_machine() && !force_client_mode ) {
  // If no other collector is requested explicitly,
  // let the VM select the collector based on
  // machine class and automatic selection policy.
  if (!UseSerialGC &&
      !UseConcMarkSweepGC &&
      !UseG1GC &&
      !UseParNewGC &&
      !DumpSharedSpaces &&
      FLAG_IS_DEFAULT(UseParallelGC)) {
    if (should_auto_select_low_pause_collector()) { //如果需要低时延收集器，选择cms
      FLAG_SET_ERGO( bool , UseConcMarkSweepGC, true );
    } else { //否则缺省使用ps收集器
      FLAG_SET_ERGO( bool , UseParallelGC, true );
    }
    no_shared_spaces();
  }
}

如上所示，jvm在没有明确设置gc时会采用parallel scavenge作为缺省收集器。因此我机器上jvm自动选择gc的行为还需要进一步研究。

• 示例2：使用ParNew收集器

调整jvm的参数，添加-XX:+UseParNewGC，告诉jvm选择使用ParNew收集器，此时执行的结果与示例1中使用serial收集器的行为完全一样。这里不再赘述

• 示例3：使用CMS收集器

调整jvm参数为：

-Xmx20M -Xms20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+UseConcMarkSweepGC< /pre >
此时启动示例程序，我们会看到如下的结果：
<pre class= "brush:shell" >chendeMacBook-Air:~ eleforest$ jstat -gc 21729 1000
 S0C    S1C    S0U    S1U      EC       EU        OC         OU       PC     PU    YGC     YGCT    FGC    FGCT     GCT
1024.0 1024.0  0.0    0.0    8192.0   820.2     8192.0      0.0     21248.0 2638.2      0    0.000   0      0.000    0.000
1024.0 1024.0  0.0    0.0    8192.0   2868.2    8192.0      0.0     21248.0 2638.2      0    0.000   0      0.000    0.000
1024.0 1024.0  0.0    0.0    8192.0   2868.2    8192.0      0.0     21248.0 2638.2      0    0.000   0      0.000    0.000
1024.0 1024.0  0.0    0.0    8192.0   4916.3    8192.0      0.0     21248.0 2638.2      0    0.000   0      0.000    0.000
1024.0 1024.0  0.0    0.0    8192.0   4916.3    8192.0      0.0     21248.0 2638.2      0    0.000   0      0.000    0.000
1024.0 1024.0  0.0    0.0    8192.0   6964.3    8192.0      0.0     21248.0 2638.2      0    0.000   0      0.000    0.000
1024.0 1024.0  0.0    0.0    8192.0   6964.3    8192.0      0.0     21248.0 2638.2      0    0.000   0      0.000    0.000
1024.0 1024.0  0.0   320.1   8192.0   2375.9    8192.0     6146.1   21248.0 2641.2      1    0.009   2      0.001    0.010
1024.0 1024.0  0.0   320.1   8192.0   2375.9    8192.0     6146.1   21248.0 2641.2      1    0.009   2      0.001    0.010
1024.0 1024.0  0.0   320.1   8192.0   2375.9    8192.0     6146.1   21248.0 2641.2      1    0.009   4      0.002    0.011
1024.0 1024.0  0.0   320.1   8192.0   2375.9    8192.0     6146.1   21248.0 2641.2      1    0.009   4      0.002    0.011
1024.0 1024.0  0.0   320.1   8192.0   2375.9    8192.0     6146.1   21248.0 2641.2      1    0.009   6      0.003    0.012

也就是说到第四个2MB申请，老生代里使用6MB的数据之后，jvm还进行了6次full gc，这是由于cms特殊性导致的：cms为了保证进行gc时应用的低时延，要求在老生代中剩余充足的空间以备应用使用。这个特性可以用下列参数进行调整和限制

-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=80 -XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly

其中CMSInitiatingOccupancyFraction的缺省为68%。在我们的示例中，OU已经超过了这个限制，jvm试图去清理老生代，因此发生了多次full gc。
通过修改CMSInitiatingOccupancyFraction为80或者更高值，再次执行示例程序后不会再发生fullGC。
为了使应用平顺，CMS收集器的使用需要小心的调整堆空间的大小，太小的老生代可能会起到相反的效果，过高的CMSInitiatingOccupancyFraction也会导致回收数据时使应用无法正常工作。

以上便是我在这篇博客中想要分享的内容，做一些记录，也分享出来。
但是如分享中所说的，还有以下问题还没有搞清楚：

• PS收集器的行为,触发full gc的条件
• jvm自动选择收集器的策略
• G1收集器的使用