JVM内存管理

概述

    本文主要介绍JVM的内存管理，包括内存空间，内存的分配与回收等。

一 . 内存空间

Sun JDK在实现时遵照JVM规范，将内存空间划分为PC寄存器、JVM方法栈、方法区、堆、本地方法栈。如下图：

                                                                  图1. JVM内存结构

1. 方法区

• 存放了要加载的类的信息（名称、修饰符等）、类中的静态变量、类中定义为final类型的常量、类中的Field信息、类中的方法信息。如通过Class对象的getName、isInterface等方法来获取的信息都来源于方法区。

• 方法区域是全局共享的，在一定条件下会被GC。

• 在Sun JDK中这块区域对应Permanet Generation，又称为持久代，默认最小值为16MB，最大值为64MB，可通过-XX:Permsize及-XX:MaxPermsize来指定最小值和最大值。

2. 堆（Heap）

• 用于存储对象实例及数组值，即所有通过new创建的对象的内存都在此分配，Heap中的内存由GC回收。

• 堆的大小可以通过-Xms和-Xmx来控制。-Xms为JVM启动时申请的最小Heap内存，默认为物理内存的1/64但小于1GB；-Xmx为JVM启动时申请的最大Heap内存，默认为物理内存的1/4但小于1GB。

• 默认当空余堆内存小于40%时，JVM会增大Heap到-Xmx指定的大小，可通过-XX:MinHeapFreeRatio=来指定这个比例；当空余堆内存大于70%时，JVM会减小Heap的大小到-Xms指定的大小可通过-XX:MaxHeapFreeRatio=来指定这个比例。

• 对于运行系统而言，为避免在运行时频繁调整Heap的大小，通常将-Xms和-Xmx的值设成一样。

3. Sun JDK从1.2开始对堆采用了分代管理的方式

• 新生代：Java程序中新建的对象都从新生代分配内存。

    新生代由Eden Space和两块相同大小Survivor Space（S0和S1或From和To）构成。

    新生代通过-Xmn来指定大小。

    通过-XX:SurvivorRadio来调整Eden Space及Survivor Space的大小。

• 旧生代：用于存放新生代中经过多次垃圾回收仍然存活的对象，例如缓存对象。

    旧生代所占用的内存大小为-Xmx对应的值减去-Xmn对应的值。

    新建对象也有可能在旧生代上直接分配，有两种情况（根据不同的GC实现来决定）：

        ①大对象：可通过:XX:PretenureSizeThreshold=1024(单位为字节，默认为0)来代表当前对象超过多大就直接在旧生代上分配。但当新生代采用Parallel Scavenge GC时无效。。。

        ②大的数组对象，且数组中无引用外部对象。

分代管理如下图所示：

                                                          图2. Sun JDK堆的分代

4. 本地方法栈

• 用于支持native方法（方法中调用了不是由java语言编写的代码）的执行。

• 在Sun JDk中，本地方法栈和JVM方法栈是同一个。

5. PC寄存器和JVM方法栈

• 每个线程都会创建PC寄存器和JVM方法栈。

• JVM方法栈为线程私有，其在内存分配上非常高效。当方法运行完毕时，其对应的栈帧所占用的内存会自动释放。

• 在Sun JDK中，通过-Xss来指定JVM方法栈的大小。

6. Java堆内存(heap memory)的十个要点

①. Java堆内存是操作系统分配给JVM的内存的一部分。

②. 当我们创建对象时，它们存储在Java堆内存中。

③. 为了便于垃圾回收，Java堆空间分成三个区域，分别叫作New Generation, Old Generation或叫作Tenured Generation，还有Perm Space。

④. 你可以通过用JVM的命令行选项 -Xms, -Xmx, -Xmn来调整Java堆空间的大小。不要忘了在大小后面加上”M”或者”G”来表示单位。举个例子，你可以用 -Xmx256m来设置堆内存最大的大小为256MB。

⑤. 你可以用JConsole或者 Runtime.maxMemory(), Runtime.totalMemory(), Runtime.freeMemory()来查看Java中堆内存的大小。

⑥. 你可以使用命令“jmap”来获得heap dump，用“jhat”来分析heap dump。

⑦. Java堆空间不同于栈空间，栈空间是用来储存调用栈和局部变量的。

⑧. Java垃圾回收器是用来将死掉的对象(不再使用的对象)所占用的内存回收回来，再释放到Java堆空间中。

⑨. 当你遇到java.lang.outOfMemoryError时，不要紧张，有时候仅仅增加堆空间就可以了，但如果经常出现的话，就要看看Java程序中是不是存在内存泄露了。

⑩. 请使用Profiler和Heap dump分析工具来查看Java堆空间，可以查看给每个对象分配了多少内存。

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二 . 内存分配

1. Java对象内存分配

• Java对象所占用的内存主要从堆上进行分配。

• 堆是所有线程共享的。所以，在堆上分配内存时需要进行加锁，这导致创建对象的开销比较大。

• 当堆上内存不足时，会触发GC，如果GC后空间仍然不足，则抛出OutOfMemory错误信息。

2. 提升分配效率（Sun JDK）－TLAB

• Sun JDK会为每个新创建的线程在新生代的Eden Space上分配一块独立的空间，这块空间称为TLAB（Thread Local Allocation Buffer）。

• TLAB的大小由JVM计算得出，可通过-XX:TLABWasteTargetPercent来设置TLAB占用Eden Space的百分比，默认值为1%。

• 在TLAB上分配内存时不需要加锁，因此JVM在给线程中的对象分配内存时会尽量在TLAB上分配。

• 如果对象过大或TLAB空间已用完，则仍然在堆上分配。因此在编写Java程序时，通常多个小的对象比大的对象分配起来更加高效。

• 除了TLAB，还有一种基于逃逸分析直接在栈上进行分配的方式。

3. 分配方式

①堆上分配

    大多数情况在eden上分配，偶尔会直接在old上分配

    细节取决于GC的实现

    这里最重要的优化是TLAB

②栈上分配

    原子类型的局部变量

    或基于EA后标量替换转变为原子类型的局部变量

③堆外分配

    DirectByteBuffer

    或直接使用Unsafe.allocateMemory，但不推荐这种方式

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三 . 内存回收

1. 对象存活的判定

    进行对象存活判定，常见的方法有引用计数（Reference Counting）和可达性分析（Reachability Analysis）两种。

• 引用计数

    ①这个算法的大致思想是给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加1；当引用失效时，计数器值就减1；任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的。

    ②它实现简单，效率高。但它没有一个优雅的方案去对象之间相互循环引用的问题：当两个对象互相引用，即使它们都无法被外界使用时，它们的引用计数器也不会为0。

• 可达性分析

    ①这个算法的基本思路就是通过一系列的称为GC根节点（GC Roots）的对象作为起始点，从这些节点开始进行向下搜索，搜索所走过的路径成为引用链（Reference Chain），当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连（用图论的话来说就是从GC Roots到这个对象不可达）时，则证明此对象是不可用的。如图3所示，对象object 5、object 6、object 7虽然互相有关联，它们的引用并不为0，但是它们到GC Roots是不可达的，因此它们将会被判定为是可回收的对象。

                          图3. 可达性分析算法判定对象是否可回收

    ②许多主流程序语言中（如Java、C#、Lisp），都是使用可达性分析来判定对象是否存活的。

2. JVM GC

    JVM通过GC来回收堆和方法区中的内存，GC的基本原理首先会找到程序中不再被使用的对象，然后回收这些对象占用的内存。通常采用收集器实现GC，主要的收集器包括引用计数收集器和跟踪收集器（同上面的引用计数和可达性分析）。

• 引用计数收集器

    采用分散式的管理方式，通过计数器记录对象是否被引用。当计数器为零时，说明此对象不再被使用，可以回收。Sun Jdk在实现GC时未采用这种方式。

• 跟踪收集器

    采用集中式的管理方式，全局记录数据的引用状态。执行时需要从根集合来扫描对象的引用关系，这可能会造成应用程序暂停。主要有以下实现算法：

    ①复制（Copying）：将找到的存活对象复制到一块新的完全未使用的空间中。

    Sun JDK认为新生代中的对象通常存活时间较短，因此选择了基于Copying算法来实现对新生代对象的回收。根据Copying算法，在执行复制时需要一块未使用的空间来存放存活的对象，这是新生代被划分为Eden、S0、S1三块空间的原因。

    Eden Space存放新创建的对象，当S0或S1的其中一块用于在Minor GC触发时作为复制的目标空间时，另一块中的内容则会被清空。下一次Minor GC时（对Eden和上次作为目标空间的S0或S1进行Minor GC）S0和S1交换角色。

过程：注意，红叉为不存活的对象所占用内存空间

    ②标记－清除（Mark－Sweep）：对存活的对象进行标记，标记完毕后，再扫描整个空间中未标记的对象，并进行回收。

过程：

优缺点：在空间中存活对象较多的情况下较为高效，但由于该算法为直接回收不存活对象所占用的内存，因此会造成内存碎片。

    ③标记－压缩（Mark－Compact）：与”标记－清除“采用一样的方式对存活的对象进行标记，但在清除时则不同：在回收不存活对象所占用的内存空间后，会将所有存活对象都往左端空闲的空间进行移动，并更新引用其对象的指针。

过程：

 

优缺点：在“标记-清除”的基础上还需要进行对象移动，成本相对较高，好处则是不产生内存碎片。