JVM内存模型与对象垃圾回收分析

最新推荐文章于 2025-03-23 10:30:00 发布

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1.JVM

说明：本文是我对自己学习知识的一个简单总结，可能存在许多不足，我希望通过此方式来回顾知识，加强理解，也希望大家能指出文中的错误与不足，互相学习，谢谢。

jvm（java虚拟机）是java程序运行的地方，它存放了java对象的信息。java程序能够一次编译到处运行就是因为有jvm的存在，它是与操作系统交互的桥梁。之前的C语言在编写程序分配内存时候，如果不及时释放内存，就很容易造成内存泄漏，而jvm有自己的一套内存回收机制，所以java程序员有更多的精力去编写程序，而不是去担心内存泄漏的问题。
jvm结构图如下：

这里简单说明：堆和方法区的数据是线程共享的，所以在多线程中需要注意这一部分数据的一致性问题，也就是线程安全问题。

之前的一篇文章介绍过java类加载进jvm的过程，传送门：https://blog.youkuaiyun.com/qq_37803406/article/details/103332506 本文主要是介绍类加载进入jvm后对象的分配与方法的执行。

2.案例说明

首先我们来看如下代码

public class Demo {
    public void compute(){
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = (a+b)*3;
        System.out.println(c);
    }
    public static void main(String[] args) {
        Demo demo = new Demo();
        demo.compute();
    }
}

代码很简单，相信大家都能看明白，这里再简单总结下，一个Demo类里面有一个compute()方法，用来计算输出一个数值，在main()方法中实例化了这个类，然后调用了compute()方法。我下面将对这一系列操作做些分析。

3.java对象存放

这里先简单介绍些模型与概念

在这里插入图片描述

首先上面Demo类会通过类加载器将类的基本信息加载到方法区中。
在main方法中通过new Demo（）；创建了一个Demo类的对象，该对象存放在堆内存中。
在执行main方法时，先将main方法压到线程栈中执行，一个main方法对应了一个栈帧。通过javap -c Demo查看字节码，如下图所示：

在这里插入图片描述

main方法当执行到demo.compute()时候，【demo是new Demo()的一个引用，指向了堆内存地址】，这时候又会创建一个compute方法的栈帧，然后运行该方法。
一个栈帧对应一个方法，栈帧的数据结构如上图，分别由局部变量表【这里对应上面compute方法中的a b c】，操作数栈【如上图，对应字节码最前面的序号，用来标识程序执行到哪一步了，当发生上下文切换时，能够指定程序该从哪一步运行】，动态连接【指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，这里是demo】，方法出口信息【方法的返回值】。
当compute方法执行完毕后输出结果，弹出栈，然后再执行main方法，main方法也执行完毕后也弹出栈，最后将对象通过垃圾回收器回收对象使用的内存空间。

4.java对象回收

这里主要是分析对象在jvm中的回收，不会仔细介绍垃圾回收器和算法，只会简单提及，只会文章会有相关介绍。
java对象在实例化之后会在堆中分配一块内存使用，堆的内存结构如下所示
堆分为新生代和老年代【占堆内存的2/3】，新生代【占堆内存的1/3】，新生代中又分为Eden区【对象创建生成分配的内存空间】，from区和to区。
例如，堆分配了3g大小的内存，分配堆内存大小通过配置jvm运行时参数 -xmx3072M -xms3072M来指定堆最大分配的内存和启动时分配的内存为3072M，这样新生代分到1024M内存，老年代分配到2048M内存。Eden分配到大约800M，from,to区分各配到大约100M。

5.垃圾回收

怎样判断对象是否该回收呢？在JVM中有两种算法来实现这个判断，一个是引用计数法，另一个是可达性分析。这里具体算法的实现特点不做展开，可以自行百度了解。
对象在Eden区创建，当Eden区满了会执行minor gc去回收垃圾，然后将存活的对象放到from区，当第二次执行minor gc后，会将Eden区存活的对象和from区存活的对象放到to区，当经历过几个周期后，还存活的对象就会存放到老年代中。
这里回顾下对象的组成，对象由对象的头部信息，实例信息和对齐填充组成。头部信息就包含了gc的年龄信息【经历一次minor gc没有被回收，那么gc年龄+1，当达到一定年龄就会放到老年代中】

6.jvm简单调优分析

有了上面这些预备知识，这里来分析下如何设置堆中各个部分的大小来达到JVM使用最优。
这里有一点要说明：当老年代也存满对象后，会触发full gc，这时候会产生stw(stop-the-world 全局停顿),这时候系统会停止现在的工作进行垃圾回收，给用户的体验就是系统卡死了。
接下来我们来看一个例子，类使用双十一这样的高并发情况，怎样设置每一个JVM的内存分配就很重要了，不合理的设置可能导致程序卡死，内存溢出。
假设现在有一个高并发系统，系统每一秒可以产生80M的对象，之后这些对象就没有用了（变成垃圾对象），如下图所示：

在这里插入图片描述

对于800M的Eden区来说，14秒后就会触发一次minor gc ，但有可能在第14秒最后一个对象还存活，这时候这个对象就会到from区，但是JVM中会对对象大小进行动态判断，如果对象大小大于from或to区的一半，那么该对象就会直接分配到老年代，那么经过【14*2048/60=478】478秒后就会触发full gc，系统就会长时间卡死。
因为对象大小大于from或to区的一半，那么该对象就会直接分配到老年代，所以我们可以增加from和to区的大小，这样就几乎不会触发full gc了，我们可以将老年代设置为1g大小，新生代设置为2g大小，这时候from 和to区分配到200M内存，这样就几乎不会发生full gc了。
如果full gc后内存任然不够，这时候就会抛出java.lang.OutOfMemoryError异常。

总结：jvm内存模型和jvm调优虽然平时接触不多，但是很重要，它是java运行的基础环境，当出现问题时候，我们了解了jvm才能分析出怎样去解决这些问题，本文从java对象的创建，到对象的销毁，到对象的回收做了简单分析介绍，但是jvm的知识远不止这些，还需要与大家一起交流学习，弥补不足，谢谢大家的支持。