JVM内存结构与GC

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JVM体系结构

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类装载器ClassLoader

负责加载class文件,class文件在文件开头有特定的文件标示,并且ClassLoader只负责class文件的加载,至于它是否可以运行,则由Execution
Engine决定

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  • 虚拟机自带的加载器

  • 启动类加载器(Bootstrap)C++

  • 扩展类加载器(Extension)Java

  • 应用程序类加载器(AppClassLoader)Java 也叫系统类加载器,加载当前应用的classpath的所有类

  • 用户自定义加载器 Java.lang.ClassLoader的子类,用户可以定制类的加载方式

执行引擎

Execution
Engine执行引擎负责解释命令,提交操作系统执行

Native Interface 本地接口

本地接口的作用是融合不同的编程语言为 Java 所用,它的初衷是融合 C/C++程序,Java 诞生的时候是 C/C++横行的时候,要想立足,必须有调用 C/C++程序,于是就在内存中专门开辟了一块区域处理标记为native的代码,它的具体做法是 Native Method Stack中登记 native方法,在Execution Engine 执行时加载native libraies。

目前该方法使用的越来越少了,除非是与硬件有关的应用,比如通过Java程序驱动打印机或者Java系统管理生产设备,在企业级应用中已经比较少见。因为现在的异构领域间的通信很发达,比如可以使用 Socket通信,也可以使用Web Service等等,不多做介绍。

Native Method Stack

它的具体做法是Native
Method Stack中登记native方法,在Execution
Engine 执行时加载本地方法库。

PC寄存器

每个线程都有一个程序计数器,是线程私有的,就是一个指针,指向方法区中的方法字节码(用来存储指向下一条指令的地址,也即将要执行的指令代码),由执行引擎读取下一条指令,是一个非常小的内存空间,几乎可以忽略不记。

Method Area 方法区

方法区是被所有线程共享,所有字段和方法字节码,以及一些特殊方法如构造函数,接口代码也在此定义。简单说,所有定义的方法的信息都保存在该区域,此区属于共享区间。

静态变量+常量+类信息(构造方法/接口定义)+运行时常量池存在方法区中

永久存储区是一个常驻内存区域,用于存放JDK自身所携带的
Class,Interface 的元数据,也就是说它存储的是运行环境必须的类信息,被装载进此区域的数据是不会被垃圾回收器回收掉的,关闭
JVM 才会释放此区域所占用的内存。

如果出现java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space,说明是Java虚拟机对永久代Perm内存设置不够。一般出现这种情况,都是程序启动需要加载大量的第三方jar包。例如:在一个Tomcat下部署了太多的应用。或者大量动态反射生成的类不断被加载,最终导致Perm区被占满。

Jdk1.6及之前: 有永久代, 常量池1.6在方法区

Jdk1.7: 有永久代,但已经逐步“去永久代”,常量池1.7在堆

Jdk1.8及之后: 无永久代,常量池1.8在元空间

Stack

栈也叫栈内存,主管Java程序的运行,是在线程创建时创建,它的生命期是跟随线程的生命期,线程结束栈内存也就释放,对于栈来说不存在垃圾回收问题,只要线程一结束该栈就Over,生命周期和线程一致,是线程私有的。8种基本类型的变量+对象的引用变量+实例方法都是在函数的栈内存中分配。

栈帧中主要保存3 类数据:

本地变量(Local Variables):输入参数和输出参数以及方法内的变量;

栈操作(Operand Stack):记录出栈、入栈的操作;

栈帧数据(Frame Data):包括类文件、方法等等。

Heap 堆

一个JVM实例只存在一个堆内存,堆内存的大小是可以调节的。类加载器读取了类文件后,需要把类、方法、常变量放到堆内存中,保存所有引用类型的真实信息,以方便执行器执行,堆内存分为三部分:

Young
Generation Space 新生区 Young/New

Tenure
generation space 养老区 Old/
Tenure

Permanent
Space 永久区 Perm

堆内存逻辑上分为三部分:新生+养老+永久

新生区是类的诞生、成长、消亡的区域,一个类在这里产生,应用,最后被垃圾回收器收集,结束生命。新生区又分为两部分: 伊甸区(Eden space)和幸存者区(Survivor pace) ,所有的类都是在伊甸区被new出来的。幸存区有两个: 0区(Survivor 0 space)和1区(Survivor 1 space)。当伊甸园的空间用完时,程序又需要创建对象,JVM的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收(Minor GC),将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁。然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存 0区。若幸存 0区也满了,再对该区进行垃圾回收,然后移动到 1 区。那如果1 区也满了呢?再移动到养老区。若养老区也满了,那么这个时候将产生MajorGC(FullGC),进行养老区的内存清理。若养老区执行了Full GC之后发现依然无法进行对象的保存,就会产生OOM异常“OutOfMemoryError”。

如果出现java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space异常,说明Java虚拟机的堆内存不够。

原因有二:

(1)Java虚拟机的堆内存设置不够,可以通过参数-Xms、-Xmx来调整。

(2)代码中创建了大量大对象,并且长时间不能被垃圾收集器收集(存在被引用)。

GC(分代收集算法)

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次数上频繁收集Young区

次数上较少收集Old区

基本不动Perm区

GC4大算法

GC算法总体概述

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JVM在进行GC时,并非每次都对上面三个内存区域一起回收的,大部分时候回收的都是指新生代。
因此GC按照回收的区域又分了两种类型,一种是普通GC(minor GC),一种是全局GC(major GC or Full GC)。

普通GC(minor GC):只针对新生代区域的GC。

全局GC(major GC or Full GC):针对年老代的GC,偶尔伴随对新生代的GC以及对永久代的GC。

1 引用计数法

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2 复制算法(Copying)

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年轻代中使用的是Minor GC,这种GC算法采用的是复制算法(Copying)

Minor GC会把Eden中的所有活的对象都移到Survivor区域中,如果Survivor区中放不下,那么剩下的活的对象就被移到Old generation中,也即一旦收集后,Eden是就变成空的了。
当对象在 Eden ( 包括一个 Survivor 区域,这里假设是 from 区域 ) 出生后,在经过一次 Minor GC 后,如果对象还存活,并且能够被另外一块 Survivor 区域所容纳( 上面已经假设为 from 区域,这里应为 to 区域,即 to 区域有足够的内存空间来存储 Eden 和 from 区域中存活的对象 ),则使用复制算法将这些仍然还存活的对象复制到另外一块 Survivor 区域 ( 即 to 区域 ) 中,然后清理所使用过的 Eden 以及 Survivor 区域 ( 即 from 区域 ),并且将这些对象的年龄设置为1,以后对象在 Survivor 区每熬过一次 Minor GC,就将对象的年龄 + 1,当对象的年龄达到某个值时 ( 默认是 15 岁,通过-XX:MaxTenuringThreshold 来设定参数),这些对象就会成为老年代。

-XX:MaxTenuringThreshold — 设置对象在新生代中存活的次数

年轻代中的GC,主要是复制算法(Copying)

HotSpot JVM把年轻代分为了三部分:1个Eden区和2个Survivor区(分别叫from和to)。默认比例为8:1:1,一般情况下,新创建的对象都会被分配到Eden区(一些大对象特殊处理),这些对象经过第一次Minor GC后,如果仍然存活,将会被移到Survivor区。对象在Survivor区中每熬过一次Minor GC,年龄就会增加1岁,当它的年龄增加到一定程度时,就会被移动到年老代中。因为年轻代中的对象基本都是朝生夕死的(90%以上),所以在年轻代的垃圾回收算法使用的是复制算法,复制算法的基本思想就是将内存分为两块,每次只用其中一块,当这一块内存用完,就将还活着的对象复制到另外一块上面。复制算法不会产生内存碎片

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在GC开始的时候,对象只会存在于Eden区和名为“From”的Survivor区,Survivor区“To”是空的。紧接着进行GC,Eden区中所有存活的对象都会被复制到“To”,而在“From”区中,仍存活的对象会根据他们的年龄值来决定去向。年龄达到一定值(年龄阈值,可以通过-XX:MaxTenuringThreshold来设置)的对象会被移动到年老代中,没有达到阈值的对象会被复制到“To”区域。经过这次GC后,Eden区和From区已经被清空。这个时候,“From”和“To”会交换他们的角色,也就是新的“To”就是上次GC前的“From”,新的“From”就是上次GC前的“To”。不管怎样,都会保证名为To的Survivor区域是空的。Minor GC会一直重复这样的过程,直到“To”区被填满,“To”区被填满之后,会将所有对象移动到年老代中。

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因为Eden区对象一般存活率较低,一般的,使用两块10%的内存作为空闲和活动区间,而另外80%的内存,则是用来给新建对象分配内存的。一旦发生GC,将10%的from活动区间与另外80%中存活的eden对象转移到10%的to空闲区间,接下来,将之前90%的内存全部释放,以此类推。

劣势

复制算法它的缺点也是相当明显的。

1、它浪费了一半的内存,这太要命了。

2、如果对象的存活率很高,我们可以极端一点,假设是100%存活,那么我们需要将所有对象都复制一遍,并将所有引用地址重置一遍。复制这一工作所花费的时间,在对象存活率达到一定程度时,将会变的不可忽视。 所以从以上描述不难看出,复制算法要想使用,最起码对象的存活率要非常低才行,而且最重要的是,我们必须要克服50%内存的浪费。

3 标记清除(Mark-Sweep)

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老年代一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现

当堆中的有效内存空间(available memory)被耗尽的时候,就会停止整个程序(也被称为stop the world),然后进行两项工作,第一项则是标记,第二项则是清除。

标记:从引用根节点开始标记所有被引用的对象。标记的过程其实就是遍历所有的GC Roots,然后将所有GC Roots可达的对象标记为存活的对象。

GC ROOT:方法区的常量引用&静态引用,JVM栈中引用的对象,活跃线程&它本地栈中引用的对象

清除:遍历整个堆,把未标记的对象清除。

缺点:此算法需要暂停整个应用,会产生内存碎片

用通俗的话解释一下标记/清除算法,就是当程序运行期间,若可以使用的内存被耗尽的时候,GC线程就会被触发并将程序暂停,随后将依旧存活的对象标记一遍,最终再将堆中所有没被标记的对象全部清除掉,接下来便让程序恢复运行。

劣势
  1. 首先,它的缺点就是效率比较低(递归与全堆对象遍历),而且在进行GC的时候,需要停止应用程序,这会导致用户体验非常差劲

  2. 其次,主要的缺点则是这种方式清理出来的空闲内存是不连续的,这点不难理解,我们的死亡对象都是随即的出现在内存的各个角落的,现在把它们清除之后,内存的布局自然会乱七八糟。而为了应付这一点,JVM就不得不维持一个内存的空闲列表,这又是一种开销。而且在分配数组对象的时候,寻找连续的内存空间会不太好找。

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4 标记压缩(Mark-Compact)

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老年代一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现

在整理压缩阶段,不再对标记的对像做回收,而是通过所有存活对像都向一端移动,然后直接清除边界以外的内存。

可以看到,标记的存活对象将会被整理,按照内存地址依次排列,而未被标记的内存会被清理掉。如此一来,当我们需要给新对象分配内存时,JVM只需要持有一个内存的起始地址即可,这比维护一个空闲列表显然少了许多开销。

标记/整理算法不仅可以弥补标记/清除算法当中,内存区域分散的缺点,也消除了复制算法当中,内存减半的高额代价

劣势

标记/整理算法唯一的缺点就是效率也不高,不仅要标记所有存活对象,还要整理所有存活对象的引用地址。从效率上来说,标记/整理算法要低于复制算法。

5 标记清除压缩(Mark-Sweep-Compact)

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总结

内存效率:复制算法>标记清除算法>标记整理算法(此处的效率只是简单的对比时间复杂度,实际情况不一定如此)。

内存整齐度:复制算法=标记整理算法>标记清除算法。

内存利用率:标记整理算法=标记清除算法>复制算法。

可以看出,效率上来说,复制算法是当之无愧的老大,但是却浪费了太多内存,而为了尽量兼顾上面所提到的三个指标,标记/整理算法相对来说更平滑一些,但效率上依然不尽如人意,它比复制算法多了一个标记的阶段,又比标记/清除多了一个整理内存的过程

没有最好的算法,只有最合适的算法。==========>分代收集算法

年轻代(Young Gen)

年轻代特点是区域相对老年代较小,对像存活率低

这种情况复制算法的回收整理,速度是最快的。复制算法的效率只和当前存活对像大小有关,因而很适用于年轻代的回收。而复制算法内存利用率不高的问题,通过hotspot中的两个survivor的设计得到缓解。

老年代(Tenure Gen)

老年代的特点是区域较大,对像存活率高

这种情况,存在大量存活率高的对像,复制算法明显变得不合适。一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现。

Mark阶段的开销与存活对像的数量成正比,这点上说来,对于老年代,标记清除或者标记整理有一些不符,但可以通过多核/线程利用,对并发、并行的形式提标记效率。

Sweep阶段的开销与所管理区域的大小形正相关,但Sweep“就地处决”的特点,回收的过程没有对像的移动。使其相对其它有对像移动步骤的回收算法,仍然是效率最好的。但是需要解决内存碎片问题。

Compact阶段的开销与存活对像的数据成开比,如上一条所描述,对于大量对像的移动是很大开销的,做为老年代的第一选择并不合适。

基于上面的考虑,老年代一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现。以hotspot中的CMS回收器为例,CMS是基于Mark-Sweep实现的,对于对像的回收效率很高,而对于碎片问题,CMS采用基于Mark-Compact算法的Serial Old回收器做为补偿措施:当内存回收不佳(碎片导致的Concurrent Mode Failure时),将采用Serial Old执行Full GC以达到对老年代内存的整理。

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