Java内存结构和GC垃圾回收

Java 内存结构

Java内存模型和多线程JMM相关

Java内存结构和JVM虚拟机存储空间相关

• 方法区

  什么是方法区：也称永久区，static关键词修饰、常量信息；当class文件被加载的时候，就会被初始化；

  调优问题：

  1. 不能定义太多常量，不然垃圾回收机制是不会回收方法区的，占用内存，产生内存溢出问题
  2. 所有线程会共享静态变量，要注意线程安全问题

• 堆（参数调优重点关注）

  

  什么是堆：new创建的对象、数组等都会存放在堆中，所有线程会被共享；堆内存中分配了两个区：新生代和老年代（分代的目的是为了垃圾回收机制）

  • 新生代

    刚创建的对象，先存放在新生代中，分为eden、s0、s1区

    • 刚创建的对象会存储在eden区
    • s0区和s1区大小相等
    • 垃圾回收机制主要回收新生代

  • 老年代

    如果对象在频繁的使用，则放在老年代

  • 堆的参数配置

    -XX :+PrintGC 每次触发GC的时候打印相关日志

    -XX:+UserSerialGC 串行回收

    -XX:+PrintGCDetails 更详细的GC日志

    -Xms 堆初始值

    -Xmx 堆最大可用值尽量减少垃圾回收次数

    -Xmn 新生代堆最大可用值

    -XX:SurvivorRatio 用来设置新生代中eden空间和from/to空间的比例为n/1

    总结：在实际工作中，我们可以直接将初始的堆大小与最大堆大小相等，这样的好处是可以减少程序运行时垃圾回收次数，从而提高效率

    -XX:NewRatio=2 总结：不同的分布情况，对系统执行会产生一定的影响，在实际工作中，应根据系统的特点做出合理的配置，基本策略：尽可能将对象留在新生代，减少老年代的GC次数。除了可以设置新生代的绝对大小（-Xmn）,可以使用（-XX:NewRatio）设置新生代和老年代的比例：-XX:NewRatio=老年代/新生代

• 栈

  什么是栈：类的方法；局部变量，代码运行完毕自动释放，每个线程私有，互不共享，不会产生线程安全问题

• 本地方法栈

  作用：主要调用c语言，android中会用到；

jvm参数调优

1. 堆初始值与堆内存的最大值一定要保持一致
   • 减少垃圾回收机制次数
2. 设置新生代与老年代的回收比例
   • 新生代：老年代=1/3 或者1/4

堆溢出

• 错误原因

  java.lang.OutOfMemoryError : Java heap space 堆内存溢出

• 解决办法

  设置堆内存大小 -Xms1m -Xmx10m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

• Tomcat 内存溢出在catalina.sh修改JVM堆内存大小

  JAVA_OPTS="-server -Xms800m -Xmx800m -XX:PermSize=256m -XX:MaxPermSize=512m -XX:MaxNewSize=512m"
  

栈溢出

• 错误原因

  java.lang.StackOverflowError 栈内存溢出，栈溢出产生于递归调用，循环遍历是不会的，但是循环方法里面产生的递归调用，也会发生栈溢出，

• 解决办法

  设置线程最大调用深度

  -Xss5m 设置最大调用深度

JVM参数调优总结

在JVM启动参数中，可以设置跟内存、垃圾回收相关的一些参数设置，默认情况不做任何设置JVM会工作的很好，但对一些配置很好的Server和具体的应用必须仔细调优才能获得最佳性能。通过设置我们希望达到的一些目标：

• GC的时间足够小
• GC的次数足够少
• 发生Full GC(新生代和老生代)的周期足够的长

前两个目前是相悖的，要想GC时间小必须要一个更小的堆，要保证GC次数足够小，必须保证一个更大的堆，我们只能取其平衡

垃圾回收机制

垃圾回收机制不定时，向堆内存清理不可达对象。其简要过程如下：

不可达对象并不会马上被直接回收，而是至少要经过两次标记的过程。第一次被标记的对象，会检查该对象是否重写了finalize()方法。如果重写了该方法，则将其放入一个F-query队列中，否则，直接将对象加入“即将回收”集合。在第二次标记之前，F-Query队列中的所有对象会逐个执行finalize()方法，但是不保证该队列中所有对象的finalize()方法都能被 执行，这是因为JVM创建一个低优先级的线程去运行此队列中的方法，很可能在没有遍历完之前，就已经被剥夺了运行的权利。那么运行finalize()方法的意义何在呢？这是对象避免自己被清理的最后手段；如果在执行finalize()方法过程中，使得此对象重新与GC Roots引用链相连，则会在第二次标记过程中将此对象从F-Query队列中清除，避免在这次回收中被清除，恢复成一个“正常”的对象。但显然这种好事不能无限的发生，对于曾经执行过一次finalize()的对象来说，之后如果再被标记，则不会再执行finalize()方法，只能等待被清除的命运。

之后，GC将对F-Queue中的对象进行第二次小规模的标记，将队列中重新与GC Roots引用链恢复连接的对象清除出“即将回收”集合。所有此集合中的内容将被回收。

内存溢出和内存泄露

• 内存溢出

  需要4g，只有3g

• 内存泄露

  对象已经没有被应用程序使用，但是垃圾回收器没办法移除他们，因为还在被引用着。

调优策略

1. 尽量减少垃圾回收次数
2. 尽量减少常量信息
3. 新生代回收次数比老年代多

Java垃圾回收算法

• 标记清除法–碎片化（一般不用）

  标记清除算法为每个对象做一个标记，0可达，1不可达，对象没有经常使用，将对象标记为1不可达，容易造成碎片化

• 标记压缩–老生代

  先进行排序，再进行删除，不会产生碎片

• 引用计数法–新生代

  每个对象都会有一个标记，默认是15，gc回收的时候，对象不可达则减一，可达则加一，直到机会为0进行回收，如果超过15，则进入s0区或者s1区；

  优点：引用计数收集器可以很快的执行，交织在程序运行中，对程序需要不被长时间打断的实时环境比较有利。

  缺点：无法检测出循环引用，如父对象有一个对子对象的应用，子对象反过来引用父对象。这样，他们的引用计数永远不可能为0，而且每次加非常浪费内存。

• 复制算法–新生代（老年代没有）

  只有一个区域可以存活，只需要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可

  优点：连续性，不会产生碎片化，运行高效

  缺点：课使用内存降为原来一半

• 分代算法–新生代和老年代

垃圾回收的时候会出现停顿现象，垃圾回收的任务是识别和回收垃圾对象进行内存清理，为了让垃圾回收器可以进行更高效的执行，大部分情况下，会要求系统进入一个停顿的状态。停顿的目的是为了终止所有的应用线程，只有这样的系统才不会有新垃圾的产生。同时停顿保证了系统状态在某一瞬间的一致性，也有利于更好的标记垃圾对象。因此在垃圾回收时，都会产生应用程序的停顿

垃圾收集器

串行回收器

单线程执行回收操作，回收期间暂停所有应用线程的执行，client模式下的默认回收器，通过-XX:+UseSerialGC命令行可选项强制执行

并行回收器(多线程回收垃圾)

并行回收器在串行回收器的基础上做了改进，可以使用多个线程同时进行垃圾回收，对于计算能力强的计算机而言，可以有效缩短垃圾会后所需要的间际时间

CMS

CMS回收器（Concueernt Mark Sweep Collector）是回收停顿时间比较短、目前比较常用的垃圾回收器。它通过

• 初始标记(Initial Mark)
• 并发标记(Concurrent Mark)
• 重新标记(Remark)
• 并发清除(Concurrent Sweep)

四个步骤完成垃圾回收，第一和第三步还是会造成STW(Stop The World)即垃圾回收的某个阶段会暂停整个应用程序的执行，而第2、4步的并发标记和并发清除两个阶段可以和应用程序并发执行，也是比较耗时的操作，但并不影响整个程序的正常执行。

由于CMS采用的是标记清除算法，因此会产生大量的空间碎片，为了解决这个这个问题，CMS可以通过配置**-XX:+UserCMSCompactAtFullCollection参数，强制JVM在FGC完成后对老年代进行压缩，执行一次碎片化整理，但是空间碎片整理阶段也会引发STW。为了减少STW次数，CMS还可以通过配置-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=n**参数，在执行n次FGC后，JVM再在老年代执行空间碎片整理。

G1(Garbage-First Garbage Colletor)

Hotspot在JDK7中推出了新一代G1垃圾回收，通过-XX:+UseG1GC参数启用。和CMS相比，G1具有压缩功能，能避免碎片化问题，G1的暂停时间更加可控

G1将Java堆空间分割为若干相同大小的区域，即region，包括Eden（年轻代）、Survivor（年轻代）、Old（老年嗲）、Humongous（巨型对象区域）四种类型。其中，Humongous是特殊的Old类型，专门放置大型对象。这样的划分方式意味着不需要一个连续的存储空间管理对象。G1将空间分为多个区域，优先回收垃圾最多的区域。G1采用的是“Mark-Copy（标记整理）”,有非常好的空间整合能力，不会产生大量的空间碎片。G1的一大优势在于可预测的停顿时间，能够尽可能快的在指定的时间内完成垃圾回收任务。在JDK11中，已经将G1设为默认垃圾回收器，通过jstat命令可以查看垃圾回收情况。

G1的整理标记和CMS一样，分为5个步骤

• 初始标记（Initial Mark)） 该阶段会引起STW，会标记GC Roots直接可达的存活对象
• 根区域扫描（Root Region Scan） 该阶段不会引起STW，它会并发地从上一阶段标记的存活区域中扫描被引用的老年代对象
• 并发标记(Concurrent Mark) 从堆中标记存活的对象，与CMS类似
• 重新标记(Remark) 该阶段会引起STW，与CMS类似，会完成最终标记处理
• 清除（Cleanup） 改阶段会统计所有区域中的存活对象，并将待回收区域按照回收价值排序，优先回收垃圾最多的区域