聊聊jvm内存模型及垃圾回收算法

jvm内存模型

根据Java虚拟机规范,JVM将内存划分为:

  • New(年轻代)
  • Tenured(年老代)
  • 永久代(Perm)

其中New和Tenured属于堆内存,堆内存会从JVM启动参数(-Xmx:3G)指定的内存中分配,Perm不属于堆内存,有虚拟机直接分配,但可以通过-XX:PermSize -XX:MaxPermSize 等参数调整其大小。

  • 年轻代(New):年轻代用来存放JVM刚分配的Java对象
  • 年老代(Tenured):年轻代中经过垃圾回收没有回收掉的对象将被Copy到年老代
  • 永久代(Perm):永久代存放Class、Method元信息,其大小跟项目的规模、类、方法的量有关,一般设置为128M就足够,设置原则是预留30%的空间。

New又分为几个部分:

  • Eden:Eden用来存放JVM刚分配的对象
  • Survivor1
  • Survivro2:两个Survivor空间一样大,当Eden中的对象经过垃圾回收没有被回收掉时,会在两个Survivor之间来回Copy,当满足某个条件,比如Copy次数,就会被Copy到Tenured。显然,Survivor只是增加了对象在年轻代中的逗留时间,增加了被垃圾回收的可能性。

Q:为什么会有年轻代

我们先来屡屡,为什么需要把堆分代?不分代不能完成他所做的事情么?其实不分代完全可以,分代的唯一理由就是优化GC性能。你先想想,如果没有分代,那我们所有的对象都在一块,GC的时候我们要找到哪些对象没用,这样就会对堆的所有区域进行扫描。而我们的很多对象都是朝生夕死的,如果分代的话,我们把新创建的对象放到某一地方,当GC的时候先把这块存“朝生夕死”对象的区域进行回收,这样就会腾出很大的空间出来。

Q:年轻代中的GC过程

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,为啥默认会是这个比例,接下来我们会聊到。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(80%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。

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。

Q:一个对象的一辈子

我是一个普通的java对象,我出生在Eden区,在Eden区我还看到和我长的很像的小兄弟,我们在Eden区中玩了挺长时间。有一天Eden区中的人实在是太多了,我就被迫去了Survivor区的“From”区,自从去了Survivor区,我就开始漂了,有时候在Survivor的“From”区,有时候在Survivor的“To”区,居无定所。直到我18岁的时候,爸爸说我成人了,该去社会上闯闯了。于是我就去了年老代那边,年老代里,人很多,并且年龄都挺大的,我在这里也认识了很多人。在年老代里,我生活了20年(每次GC加一岁),然后被回收。

垃圾回收算法

垃圾回收算法可以分为三类,都基于标记-清除(复制)算法:

  • Serial算法(单线程)
  • 并行算法
  • 并发算法

JVM会根据机器的硬件配置对每个内存代选择适合的回收算法,比如,如果机器多于1个核,会对年轻代选择并行算法,关于选择细节请参考JVM调优文档。

稍微解释下的是,并行算法是用多线程进行垃圾回收,回收期间会暂停程序的执行,而并发算法,也是多线程回收,但期间不停止应用执行。所以,并发算法适用于交互性高的一些程序。经过观察,并发算法会减少年轻代的大小,其实就是使用了一个大的年老代,这反过来跟并行算法相比吞吐量相对较低。

Q:垃圾回收动作何时执行?

  • 当年轻代内存满时,会引发一次普通GC,该GC仅回收年轻代。需要强调的时,年轻代满是指Eden代满,Survivor满不会引发GC
  • 当年老代满时会引发Full GC,Full GC将会同时回收年轻代、年老代
  • 当永久代满时也会引发Full GC,会导致Class、Method元信息的卸载

Q:何时会抛出OutOfMemoryException,并不是内存被耗空的时候才抛出

  • JVM98%的时间都花费在内存回收
  • 每次回收的内存小于2%

满足这两个条件将触发OutOfMemoryException,这将会留给系统一个微小的间隙以做一些Down之前的操作,比如手动打印Heap Dump。

Q:系统崩溃前的一些现象

  • 每次垃圾回收的时间越来越长,由之前的10ms延长到50ms左右,FullGC的时间也有之前的0.5s延长到4、5sQ:为什么崩溃前垃圾回收的时间越来越长?

A : 根据内存模型和垃圾回收算法,垃圾回收分两部分:内存标记、清除(复制),标记部分只要内存大小固定时间是不变的,变的是复制部分,因为每次垃圾回收都有一些回收不掉的内存,所以增加了复制量,导致时间延长。所以,垃圾回收的时间也可以作为判断内存泄漏的依据

  • FullGC的次数越来越多,最频繁时隔不到1分钟就进行一次FullGCQ:为什么Full GC的次数越来越多?

A:因此内存的积累,逐渐耗尽了年老代的内存,导致新对象分配没有更多的空间,从而导致频繁的垃圾回收

  • 年老代的内存越来越大并且每次FullGC后年老代没有内存被释放Q:为什么年老代占用的内存越来越大?

A:因为年轻代的内存无法被回收,越来越多地被Copy到年老代

之后系统会无法响应新的请求,逐渐到达OutOfMemoryError的临界值。

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