JVM内存结构和垃圾回收简介

JVM相关知识是性能测试必须要了解的，同时也是面试中经常遇到的问题。

 

JVM内存管理机制

JVM简介

• Java采用了自动管理内存的方式
• Java程序是运行在JVM之中的
• Java的跨平台是基于JVM的跨平台特性
• 内存的分配和对象的创建是在JVM中
• 用户可以通过一系列参数来配置JVM

 

JVM运行时区域

 

 

JVM内存结构

一、栈内存

• 线程私有
• 生命周期和线程相同
• 主要存放内容：
  • 基本数据类型（int,char,float,double...）
  • 对象的引用，指向了对象在堆内存中起始地址
  • 通过-Xss参数 配置，设置每个线程的堆栈大小

 

 二、堆内存

• 堆内存是JVM中空间最大的区域
• 所有线程共享堆
• 所有的数组以及内存对象的实例都在此区域分配
• 堆内存大小通过参数进行配置：
• -Xmx：最大堆内存
• -Xms：最小堆内存，此值可以设置与-Xmx相同，以避免每次垃圾回收完成后JVM重新分配内存。
• -Xmn：设置年轻代大小
• 堆内存的构成，如上图所示：
  • 新生代：包括三块区域，eden、from survivor(s0)、to survivor(s1)
  • 老年代：old gen
• 堆内存数据变化：

　　　　1、初始化对象首先放在新生代eden区

　　　　2、eden区满了之后，对eden区进行扫描，将仍然存活的对象移到s0区，同时对eden区和是s1区进行清扫工作

　　　　3、新创建的对象继续存在eden区，eden满了之后，再次扫描eden和s0区，将存活的对象放在s1区，将eden和s0清空

　　　　4、新创建的对象继续存在eden区，eden满了之后，再次扫描eden和s1区，将存活的对象放在s0区，将eden和s1清空，如此循环往复。（如果对象在新生代中存活15次，存入老年代）

　　　　5、如果从eden区和s0区存入s1时，s1放不下，则将对象放在老年代中，将整个新生代全部清空。

　　　　（备注：线程结束，对象的实例失去引用，在栈内存中没有地址，则认为对象无用）

• 栈内存和堆内存举例：

　　　　Object o = new Object()

　　　　其中，o存放在栈内存中，new Object()存在在堆内存中，变量o是Object对象的引用，o上存放了Object对象占用内存的起始地址

 

三、永久代

• 永久代也叫（Method Area）
• 各线程共享，主方法区要存放类信息、常量、静态变量，如public static int a = 2
• 垃圾回收行为比较少见

 

四、JVM结构总结

Survivior = s0+s1

年轻代 = Eden + Survivor

年轻代 = Eden + s0 + s1

堆内存 = 年轻代 + 老年代

堆内存 = Eden + s0 + s1 + 老年代

 

五、Java8新变化

Java8从JVM中移除了PermGen，使用Metaspace(元空间）来代替永久代

• Metaspace不存在JVM中，而是存在本地内存中
• 配置元空间初始值和最大值参数：
  • -XX:MetaspaceSize=64m
  • -XX: MaxMetaspaceSize=64m

 

JVM垃圾回收

一、YoungCG和FullGC

新生代引发的GC叫YoungCG，上面内存结构的时候我们提到eden区向s0区存放对象后，清空eden区和s1区就是YoungGC

老年代引发的GC叫FullGC。FullGC会引起整个JVM的用户线程暂停，待垃圾回收完毕后，才继续运行。老年代引发的GC会引起整个堆内存的全局GC。GC的时间长短跟堆内存空间大小有关系。

 

二、永久代（元空间）的垃圾回收

主要回收：

• 废弃的常量
• 无用的类：
  • 类的所有实例都已经被回收
  • 加载该类的ClassLoader已经被回收
  • 该类的Class对象没有在任何地方被引用

 

三、堆垃圾回收算法

1、标记-清除算法

（1）分为标记和清除两个阶段，标记完成后，统一回收

（2）标记和清除过程的效率都不高，而且标记清除后会产生大量不连续的内存碎片，如下图

 

2、复制算法

（1）内存分为相等的两块，当一块的内存用完，将存活对象复制到另外一块，将原内存一次性全部清理掉。复制的时候按顺序分配内存，无内存碎片问题，如下图。

（2）将内存分为两半，空间永远只能使用1/2，利用率低

（3）新生代垃圾回收使用此算法

 

3、标记-压缩算法

（1）先对存活对象进行标记，让存活对象向一边移动，然后清理掉存活对象边界外的所有内存

（2）老年代垃圾回收使用的就是此算法

 

4、分代收集算法

新生代YoungGC采用复制算法 

老年代FullGC采用标记-压缩算法 

 

四、垃圾收集器

垃圾收集器是内存回收算法的具体实现，JVM不同的区域可以采用不同的垃圾收集器组合，主要有以下几种：

1、Serial收集器（串行）

（1）单线程收集器，串行

（2）JVM中用户线程全部停止

（3）Client模式下，新生代默认使用此收集器（机器配置较低情况下）

（4）简单、高效（机器配置比较低的情况下，单线程可能比多线程效率高）

 

2、ParNew收集器（并行）

（1）并行收集器，Serial收集器的多线程版本

（2）Server模式下JVM默认的新生代收集器

（3）默认开启的垃圾回收线程与CPU核数一致

 

 

3、CMS收集器（ConcurrentMarkSweep）（并发）

（1）采用了标记-清除、标记-压缩算法

（2）并发收集、低停顿

（3）会消耗cpu、会产生内存碎片、会有浮动垃圾（Concurrent Mode Failure）

（浮动垃圾：并发清理的时候用户线程还在运行，清理的同时还在产生新垃圾，必须在空间占用70%-90%的时候就进行垃圾回收，防止浮动垃圾产生的速度大于并发清理的速度）

（4）收集器不重：

　　　　<1>初始标记：只会标记根对象，这个过程很快，此时用户线程会停掉；

　　　　<2>并发标记：通过根对象搜索，跟用户线程一起操作；

　　　　<3>重新标记：用户线程也会停掉，标记第<2>步新产生的垃圾，速度很快

 

五、内存溢出

1、内存溢出

堆内存溢出（OutOfMemory:Java heap space）：堆内存中存在大量对象，这些对象都有被引用。当所有对象占用空间达到堆内存的最大值，就会出现内存溢出。

永久代溢出（OutOfMemoryError:PermGen space）：类的一些信息，例如类名、访问修饰符、字段描述、方法描述等，所占空间大于永久代最大值，就会出现溢出。如果存在问题，程序启动阶段就会报错。

 

2、内存溢出检测方法

（1）图形界面：Jconsole、Jvisualvm

（2）命令行工具：

　　　　Jstat –gcutil pid 1000 100

　　　　Jmap –histo pid | head -20

　　　　Jmap –heap pid

 

六、JVM常见参数

1、-Xms2048m，初始堆大小，建议<物理内存的1/4，默认值为物理内存的1/64

2、-Xmx2048m，最大堆大小，建议与-Xms保持一致，默认值为物理内存的1/4

3、-Xmn512m，新生代大小，建议不超过堆内存的1/2

4、-Xss256k，线程堆栈大小，建议256k

5、-XX:PermSize=256m，永久代初始值，默认值为物理内存的1/64

6、-XX:MaxPermSize=256m，永久代最大值，默认值为物理内存的1/4

7、-XX:SurvivorRatio=8，新生代中eden区和Survivor区的比例，默认为8:1，即Eden(8)，From Space(1)，To Space(1)

8、-XX:UseConcMarkSweepGC，开启CMS垃圾回收器

 

CMS相关参数

-XX:+UseConcMarkSweepGC：默认关闭，ParNew+CMS+Serial Old，当CMS收集器出现 ConcurrentModeFailure错误（Jvm预留空间不足以容纳程序使用），采用后备收集器Serial Old -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=80：CMS收集器在老年代空间被使用多少时触发FullGC，默认为92

-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：CMS收集器在FullGC时开启内存碎片的压缩，默认关闭

-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=8：执行多少次不压缩FullGC后，进行一次压缩，默认是0（代表每次 FullGC都进行压缩）

-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly：使用手动定义初始化定义开始，禁止hostspot自行触发CMS GC

-XX:ParallelGCThreads=8：并行收集器的线程数，此值最好配置与处理器数目相等 同样适用于CMS

 

日志参数：

-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError：当发生内存溢出时，进行堆内存dump-XX:+PrintGCDetails：打印 GC的详细信息码同学 码同