JVM内存增强分析

1 JVM 逃逸分析

1.1 背景

       随着 JIT 编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会

导致一些微妙的变化，所有的对象都分配到堆上也渐渐变得不那么“绝对”了。

在 Java 虚拟机中，对象是在 Java 堆中分配内存的，这是一个普遍的常识。但是，有

一种特殊情况，那就是如果经过逃逸分析（ Escape Analysis ）后发现，一个对象并没有逃

逸出方法的话，那么就可能被优化成栈上分配。这样就无需在堆上分配内存，也无须进行垃

圾回收了。这也是最常见的堆外存储技术。

逃逸分析技术到现在还不是很成熟，虽然经过逃逸分析可以做标量替换、栈上分配、锁

消除。但是逃逸分析自身也是需要进行一系列复杂的分析的，这其实也是一个相对耗时的过

程。

1.2 何为逃逸分析

       逃逸分析一种数据分析算法，基于此算法可以有效减少 Java 对象在堆内存中的分配。

Hotspot 虚拟机的编译器能够分析出一个新对象的引用范围，然后决定是否要将这个对象

分配到堆上。例如：

 >当一个对象在方法中被定义后，对象只在方法内部使用，则认为没有发生逃逸。

 > 当一个对象在方法中被定义后，它被外部方法所引用，则认为发生逃逸。

1.3 逃逸分析案例演示

1.3.1 逃逸对象

    如下代码中的 StringBuffer 发生了逃逸，不会在栈上分配。

 

1.3.2 未逃逸对象

     当一个对象在方法内创建，又没有被外界引用，此对象为非逃逸对象。例如

 

1.3.3 逃逸分析参数设置

       在 JDK 1.7 版本之后， HotSpot 中默认就已经开启了逃逸分析，如果使用的是较早的

版本，开发人员则可以通过：

> 选项“ -XX:+DoEscapeAnalysis" 显式开启逃逸分析。

>  通过选项“ -XX:+PrintEscapeAnalysis" 查看逃逸分析的筛选结果。

建议：开发中能在方法内部应用对象的，就尽量控制在内部。

1.4 代码优化实践

1.4.1 概述

使用逃逸分析，编译器可以对代码做如下优化:

 ▪ 栈上分配：将堆分配转化为栈分配。如果一个对象在方法内创建，要使指向该对象的引

用不会发生逃逸，对象可能是栈上分配的候选。

▪ 同步省略：又称之为同步锁消除，如果一个对象被发现只有一个线程被访问到，那么对

于这个对象的操作可以不考虑同步。

▪ 分离对象或标量替换：有的对象可能不需要作为一个连续的内存结构存在也可以被访问

到，那么对象的部分（或全部）可以不存储在内存，而是存储在 CPU 寄存器中。

1.4.2 栈上分配

 

 

        对如上代码运行测试时，分别开启和关闭逃逸分析，检查控制台日志的输出以及花费时

间上的不同。 

1.4.3 同步锁消除

        我们知道线程同步是靠牺牲性能来保证数据的正确性，这个过程的代价会非常高。程序

的并发行和性能都会降低。 JVM 的 JIT 编译器可以借助逃逸分析来判断同步块所使用的锁

对象是否只能够被一个线程应用？假如是，那么 JIT 编译器在编译这个同步块的时候就会

取消对这部分代码上加的锁。这个取消同步的过程就叫同步省略，也叫锁消除。

1.4.4 标量替换分析

       所谓的标量（ scalar ）一般指的是一个无法再分解成更小数据的数据。例如， Java 中

的原始数据类型就是标量。相对的，那些还可以分解的数据叫做聚合量（ Aggregate ）， Java

中的对象就是聚合量，因为他可以分解成其他聚合量和标量。在 JIT 阶段，如果经过逃逸分

析，发现一个对象不会被外界访问的话，那么经过 JIT 优化，就会把这个对象分解成若干个

变量来代替。这个过程就是标量替换。例如：

 

 

   对于上面代码，假如开启了标量替换，那么 alloc 方法的内容就会变为如下形式：

 

       alloc 方法内部的 Point 对象是一个聚合量，这个聚合量经过逃逸分析后，发现他并

没有逃逸，就被替换成两个标量了。那么标量替换有什么好处呢？就是可以大大减少堆内存

的占用。因为一旦不需要创建对象了，那么就不再需要分配堆内存了。标量替换为栈上分配

提供了很好的基础。

2 内存溢出分析

 2.1 何为内存溢出

      内存中剩余的内存不足以分配给新的内存请求就会内存溢出。内存溢出可能直接导致系统溃。

 2.2 内存溢出的原因 

    导致内存溢出的原因，可能有：

▪ 创建的对象太大导致堆内存溢出

▪ 创建的对象太多导致堆内存溢出

▪ 方法出现了无限递归调用导致栈内存溢出

▪ 方法区内存空间不足导致内存溢出。

▪ 出现大量的内存泄漏

3 JVM 内存泄漏

3.1 内存泄漏分析

3.1.1 何为内存泄漏

       动态分配的内存空间，在使用完毕后未得到释放，结果导致一直占据该内存单元，直到程序

结束。这个现象称之为内存泄漏。因此良好的代码规范，可以有效地避免这些错误。

3.1.2 内存泄漏带来的问题

长时间运行，程序会变卡，性能严重下降。 ( 早期的只能手机这个问题很严重 )

  OutOfMemoryError 错误，系统直接挂掉。 猎才

3.1.3 导致内存泄漏的原因

▪ 大量使用静态变量( 静态变量与程序生命周期一样 )

▪ IO/连接资源用完没关闭 ( 记得执行 close 操作 )

▪ 内部类的使用方式存在问题( 实力内部类或默认引用外部类对象 )

▪ 缓存(Cache) 应用不当 ( 尽量不要使用强引用 )

▪ ThreadLocal 应用不当 ( 用完记得执行 remove 操作 )

3.1.4 内存泄漏分析常用手段

▪ 应用内存分析工具 JProfiler, Java VisualVM 等。

▪ 在开发阶段时或者在测试环节，增加压力测试( 可考虑使用 JMeter 进行压力测试 ) 。

▪ 认真对待开发工具给出的告警提示，该关闭的资源尽早关闭。

▪ 选择合适的时机进行代码 review 。

    通俗地说，我们可以将内存泄漏视为一种疾病，如果不治愈，随着时间的推移，它可能导致

致命的应用程序崩溃。内存泄漏很难解决，发现它们需要对 Java 语言的复杂掌握和掌握。

在处理内存泄漏时，没有一种万能的解决方案，因为泄漏可能通过各种不同的事件发生。

但是，如果我们采用最佳实践并定期执行严格的代码排查和分析，那么我们可以将应用程序

中内存泄漏的风险降到最低。

4 Java 四大引用分析

4.1 背景分析

       Java 中为了更好控制对象的生命周期，提高对象对内存的敏感度，设计了四种类型的引用。

按其在内存中的生命力强弱，可分为强引用、软引用、弱引用、虚引用。其中， " 强引用 " 引

用的对象生命力最强，其它引用引用的对象生命力依次递减。 JVM 的 GC 系统被触发时，会

因对象引用的不同，执行不同的对象回收逻辑。

4.2 准备工作

创建一个类，作为演示应用，例如：

 4.3 引用类型应用

4.3.1强引用:

       通过对象自身类型或父类类型直接引用当前对象称之为强引用，例如：

        其中，使用 " 强引用 " 引用的对象，即便 JVM 内存空间不足，触发了 GC 操作， JVM 宁愿抛出

OutOfMemoryError 运行时错误，也不会回收有强引用引用的对象。如果对象已不可以通过 何" 强引用 " 所访问，就可以直接被垃圾回收了，但具体回收时机还是要看垃圾收集策略。

4.3.2 软引用:

       软引用通过 SoftReference 类型对象实现。 " 软引用 " 引用的对象，在 JVM 认为内存不足

时，会去试图回收其引用的对象。即 JVM 会确保在抛出 OutOfMemoryError 之前，清理

软引用指向的对象。软引用可以和一个引用队列 (ReferenceQueue) 联合使用，如果“软引

用”所引用的对象被垃圾回收器回收， Java 虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联的引

用队列中。后续，我们可以调用 ReferenceQueue 的 poll() 方法来检查是否有它所关心的

对象被回收。

 

       软引用通常用来实现内存敏感的缓存。如果还有空闲内存，就可以暂时保留对象，当内存不

足时就清理掉对象，这样就可以更好保证在使用缓存时，尽量不会耗尽内存。

4.3.3  弱引用:

       弱引用通过 WeakReference 类实现。当 GC 时，一旦发现了具有“弱引用”引用的对象，

不管当前内存空间足够与否，都可能会回收它的内存。由于垃圾回收器是一个优先级很低的

线程 ，因此不一 定会很快回收弱引用的对象 。 弱引用也可以和 一 个引用队列 （ReferenceQueue ）联合使用，如果弱引用所引用的对象被垃圾回收， Java 虚拟机就会把

这个弱引用加入到与之关联的引用队列中。

 

 

弱引用同样可应用于内存敏感的缓存。

4.3.4 虚引用:

       虚引用也叫幻象引用，通过 PhantomReference 类对象来实现。无法通过虚引用访问对象

的任何属性或函数。如果一个对象仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，在任何时

候都可能被垃圾回收器回收。虚引用必须和引用队列 （ ReferenceQueue ）联合使用。当垃

圾回收器准备回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，就会在回收对象的内存之前，把这

个虚引用加入到与之关联的引用队列中。

       因为 PhantomReference 引用的是需要被垃圾回收的对象，所以在类的定义中， get 一直

都是返回 null 。

       程序可以通过判断引用队列中是否已经加入了虚引用，来了解被引用的对象是否将要被垃圾

回收。虚引用可用来跟踪对象被垃圾回收器回收的活动，当一个虚引用关联的对象被垃圾收

集器回收之前会收到一条系统通知。

 

 

4.4 缓存应用增强分析

4.4.1 为什么要使用缓存？

    降低数据库的访问压力，提高数据的查询效率，改善用户体验。

4.4.2 你了解哪些缓存？

1) 数据库内置的缓存？ ( 例如 mysql 的查询缓存 )

2) 数据层缓存 ( 一般由持久层框架提供，例如 MyBatis)

3) 业务层缓存 ( 基于 map 等实现的本缓存，分布式缓存 - 例如 redis)

4) CPU 缓存 ( 高速缓冲区 )

5) 浏览器内置缓存？

4.4.3 设计缓存时你应该考虑哪些问题？

1) 存储结构 ( 使用什么结构存储数据效率会更高 ?- 散列表 )

2) 淘汰算法 ( 缓存容量有限 -LRU/FIFO/LFU)

3) 任务调度 ( 定期刷新缓存，缓存失效时间 )

4) 并发安全 ( 缓存并发访问时的线程安全 )

5) 日志记录 ( 缓存是否命中，命中率是多少 )

6) 序列化 ( 存对象时序列化、取对象时反序列化 )