JVM虚拟机-03、JVM内存分配机制与垃圾回收算法

voiletbin

2020-04-14

JVM虚拟机-03、JVM内存分配机制与垃圾回收算法

1 JVM内存分配与回收

1.1 对象优先在Eden区分配

大多数情况下，对象在新生代中?Eden?区分配。当?Eden?区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次Minor?GC。我们来进行实际测试一下。在测试之前我们先来看看?Minor?GC和Full?GC?有什么不同呢？

Minor?GC/Young?GC：指发生新生代的的垃圾收集动作，MinorGC非常频繁，回收速度一般也比较快。
Major?GC/Full?GC：一般会回收老年代，年轻代，方法区的垃圾，Major?GC的速度一般会比Minor?GC的慢10倍以上。

例：

package com.juzilicai.framework.mq;

/**
 * @program: bloom
 * @description: ${description}
 * @author: hao.yu
 * @create: 2020-03-16 13:56
 **/
package com.juzilicai.framework.mq;

/**
 * @program: bloom
 * @description: ${description}
 * @author: hao.yu
 * @create: 2020-03-16 13:56
 **/
public class GCTest {

    public static void main(String[] args) {
        byte[] allocation1, allocation2, allocation3, allocation4, allocation5, allocation6;

        allocation1 = new byte[50000* 1024];
//      allocation2 = new byte[8000 * 1024];
//      allocation3 = new byte[1000 * 1024];
        allocation4 = new byte[1000 * 1024];
        allocation5 = new byte[1000 * 1024];
        allocation6 = new byte[1000 * 1024];


    }
}

运行结果:
Heap
 PSYoungGen      total 75776K, used 60803K [0x000000076b780000, 0x0000000770c00000, 0x00000007c0000000)
  eden space 65024K, 93% used [0x000000076b780000,0x000000076f2e0eb8,0x000000076f700000)
  from space 10752K, 0% used [0x0000000770180000,0x0000000770180000,0x0000000770c00000)
  to   space 10752K, 0% used [0x000000076f700000,0x000000076f700000,0x0000000770180000)
 ParOldGen       total 173568K, used 0K [0x00000006c2600000, 0x00000006ccf80000, 0x000000076b780000)
  object space 173568K, 0% used [0x00000006c2600000,0x00000006c2600000,0x00000006ccf80000)
 Metaspace       used 3494K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 380K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

我们可以看出eden区内存几乎已经被分配完全（即使程序什么也不做，新生代也会使用至少几M内存）。假如我们再为allocation2分配内存会出现什么情况呢？

package com.juzilicai.framework.mq;

/**
 * @program: bloom
 * @description: ${description}
 * @author: hao.yu
 * @create: 2020-03-16 13:56
 **/
public class GCTest {

    public static void main(String[] args) {
        byte[] allocation1, allocation2, allocation3, allocation4, allocation5, allocation6;

        allocation1 = new byte[50000* 1024];
        allocation2 = new byte[8000 * 1024];
//      allocation3 = new byte[1000 * 1024];
        allocation4 = new byte[1000 * 1024];
        allocation5 = new byte[1000 * 1024];
        allocation6 = new byte[1000 * 1024];


    }
}

[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 64502K->9450K(75776K)] 64502K->59458K(249344K), 0.0255169 secs] [Times: user=0.08 sys=0.00, real=0.03 secs] 
Heap
 PSYoungGen      total 75776K, used 13362K [0x000000076b780000, 0x0000000774b80000, 0x00000007c0000000)
  eden space 65024K, 6% used [0x000000076b780000,0x000000076bb51f18,0x000000076f700000)
  from space 10752K, 87% used [0x000000076f700000,0x000000077003abb0,0x0000000770180000)
  to   space 10752K, 0% used [0x0000000774100000,0x0000000774100000,0x0000000774b80000)
 ParOldGen       total 173568K, used 50008K [0x00000006c2600000, 0x00000006ccf80000, 0x000000076b780000)
  object space 173568K, 28% used [0x00000006c2600000,0x00000006c56d6010,0x00000006ccf80000)
 Metaspace       used 3496K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 380K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

Process finished with exit code 0

简单解释一下为什么会出现这种情况：?因为给allocation2分配内存的时候eden区内存几乎已经被分配完了，当Eden区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次Minor?GC，GC期间虚拟机又发现allocation1无法存入Survior空间，所以只好把新生代的对象提前转移到老年代中去，老年代上的空间足够存放allocation1，所以不会出现Full?GC。执行Minor?GC后，后面分配的对象如果能够存在eden区的话，还是会在eden区分配内存。可执行如下代码验证：

package com.juzilicai.framework.mq;

/**
 * @program: bloom
 * @description: ${description}
 * @author: hao.yu
 * @create: 2020-03-16 13:56
 **/
public class GCTest {

    public static void main(String[] args) {
        byte[] allocation1, allocation2, allocation3, allocation4, allocation5, allocation6;

        allocation1 = new byte[50000* 1024];
        allocation2 = new byte[8000 * 1024];
        allocation3 = new byte[1000 * 1024];
        allocation4 = new byte[1000 * 1024];
        allocation5 = new byte[1000 * 1024];
        allocation6 = new byte[1000 * 1024];


    }
}

[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 64502K->9464K(75776K)] 64502K->59472K(249344K), 0.0256463 secs] [Times: user=0.05 sys=0.00, real=0.03 secs] 
Heap
 PSYoungGen      total 75776K, used 14375K [0x000000076b780000, 0x0000000774b80000, 0x00000007c0000000)
  eden space 65024K, 7% used [0x000000076b780000,0x000000076bc4bf28,0x000000076f700000)
  from space 10752K, 88% used [0x000000076f700000,0x000000077003e020,0x0000000770180000)
  to   space 10752K, 0% used [0x0000000774100000,0x0000000774100000,0x0000000774b80000)
 ParOldGen       total 173568K, used 50008K [0x00000006c2600000, 0x00000006ccf80000, 0x000000076b780000)
  object space 173568K, 28% used [0x00000006c2600000,0x00000006c56d6010,0x00000006ccf80000)
 Metaspace       used 3498K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 380K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

1.2 大对象直接进入老年代

大对象就是需要大量连续内存空间的对象（比如：字符串、数组）。JVM参数?-XX:PretenureSizeThreshold?可以设置大对象的大小，如果对象超过设置大小会直接进入老年代，不会进入年轻代，这个参数只在?Serial?和ParNew两个收集器下有效。比如设置JVM参数：-XX:PretenureSizeThreshold=1000000??-XX:+UseSerialGC??，再执行下上面的第一个程序会发现大对象直接进了老年代

1.3 长期存活的对象将进入老年代

既然虚拟机采用了分代收集的思想来管理内存，那么内存回收时就必须能识别哪些对象应放在新生代，哪些对象应放在老年代中。为了做到这一点，虚拟机给每个对象一个对象年龄（Age）计数器。如果对象在?Eden?出生并经过第一次?Minor?GC?后仍然能够存活，并且能被Survivor?容纳的话，将被移动到?Survivor?空间中，并将对象年龄设为1。对象在?Survivor?中每熬过一次?MinorGC，年龄就增加1岁，当它的年龄增加到一定程度（默认为15岁），就会被晋升到老年代中。对象晋升到老年代的年龄阈值，可以通过参数? -XX:MaxTenuringThreshold ?来设置。

1.4 对象动态年龄判断

当前放对象的Survivor区域里(其中一块区域，放对象的那块1.6?老年代空间分配担保机制s区)，一批对象的总大小大于这块Survivor区域内存大小的50%，那么此时大于等于这批对象年龄最大值的对象，就可以直接进入老年代了，例如Survivor区域里现在有一批对象，年龄1+年龄2+年龄n的多个年龄对象总和超过了Survivor区域的50%，此时就会把年龄n以上的对象都放入老年代。这个规则其实是希望那些可能是长期存活的对象，尽早进入老年代。对象动态年龄判断机制一般是在minor?gc之后触发的。

1.5 Minor?gc后存活的对象Survivor区放不下

这种情况会把存活的对象部分挪到老年代，部分可能还会放在Survivor区

1.6?老年代空间分配担保机制

年轻代每次minor?gc之前JVM都会计算下老年代剩余可用空间，如果这个可用空间小于年轻代里现有的所有对象大小之和(包括垃圾对象)就会看一个“-XX:-HandlePromotionFailure”(jdk1.8默认就设置了)的参数是否设置了如果有这个参数，就会看看老年代的可用内存大小，是否大于之前每一次minorgc后进入老年代的对象的平均大小。如果上一步结果是小于或者之前说的参数没有设置，那么就会触发一Fullgc，对老年代和年轻代一起回收一次垃圾，如果回收完还是没有足够空间存放新的对象就会发生"OOM"当然，如果minor?gc之后剩余存活的需要挪动到老年代的对象大小还是大于老年代可用空间，那么也会触发full?gc，full?gc完之后如果还是没用空间放minorgc之后的存活对象，则也会发生“OOM”

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1.7 Eden与Survivor区默认8:1:1

大量的对象被分配在eden区，eden区满了后会触发minor?gc，可能会有99%

以上的对象成为垃圾被回收掉，剩余存活的对象会被挪到为空的那块survivor区，下一次eden区满了后又会触发minor?gc，把eden区和survivor去垃圾对象回收，把剩余存活的对象一次性挪动到另外一块为空的survivor区，因为新生代的对象都是朝生夕死的，存活时间很短，所以JVM默认的8:1:1的比例是很合适的，让eden区尽量的大，survivor区够用即可JVM默认有这个参数-XX:+UseAdaptiveSizePolicy，会导致这个比例自动变化，如果不想这个比例有变化可以设置参数-XX:-UseAdaptiveSizePolicy

2 如何判断对象可以被回收

堆中几乎放着所有的对象实例，对堆垃圾回收前的第一步就是要判断哪些对象已经死亡（即不能再被任何途径使用的对象）

2.1 ?引用计数法

给对象添加一个引用计数器，每当有一个地方引用，计数器就加1。当引用失效，计数器就减1。任何时候计数器为0的对象就是不可能再被使用的。

这个方法实现简单，效率高，但是目前主流的虚拟机中没有选择这个算法来管理内存，最主要的原因是它很难解决对象之前相互循环引用的问题。所谓对象之间的相互引用问题，通过下面代码所示：除了对象a和b相互引用着对方之外，这两个对象之间再无任何引用。但是它们因为互相引用对方，导致它们的引用计数器都不为0，于是引用计数器法无法通知GC回收器回收它们。

2.2 可达性分析

这个算法的基本思想就是通过一系列的称为”GCRoots“的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，节点所走过的路径称为引用链，当一个对象到GCRoots没有任何引用链相连的话，则证明此对象时不可用的。

GC Roots根节点：类加载器、Thread、虚拟机栈的局部变量表、static成员、常量引用、本地方法栈的变量等等

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如何判断一个常量是废弃常量

运行时常量池主要回收的是废弃的常量。那么，我们怎么判断一个常量时废弃常量呢？

假如在常量池中存在字符串"abc"，如果当前没有任何String对象引用该字符串常量的话，就说明常量”abc“就是废弃常量，如果这时发生内存回收的话而且有必要的话，”abc“会被系统清理出常量池。

2.3 常见引用类型

java的引用类型一般分为四种：强引用、软引用、弱引用、虚引用

强引用：普通的变量引用

public?static?User?user?=?new?User();

软引用:将对象用SoftReference软引用类型的对象包裹，正常情况不会被回收，但是GC做完后发现释放不出空间存放新的对象，则会把这些软引用的对象回收掉。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。

public?static?SoftReference<User>?user?=?new?SoftReference<User>(new User());

软引用在实际中有重要的应用，例如浏览器的后退按钮。按后退时，这个后退时显示的网页内容是重新进行请求还是从缓存中取出呢？这就要看具体的实现策略了。

如果一个网页在浏览结束时就进行内容的回收，则按后退查看前面浏览过的页面时，需要重新构建
如果将浏览过的网页存储到内存中会造成内存的大量浪费，甚至会造成内存溢出

弱引用：将对象用WeakReference软引用类型的对象包裹，弱引用跟没引用差不多，GC会直接回收掉，很少用

public?static?WeakReference<User>?user?=?new?WeakReference<User>(new User());

虚引用：虚引用也称为幽灵引用或者幻影引用，它是最弱的一种引用关系，几乎不用

2.4 finalize()方法最终判定对象是否存活

即使在可达性分析算法中不可达的对象，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“缓刑”阶段，要真正宣告一个对象死亡，至少要经历再次标记过程。

标记的前提是对象在进行可达性分析后发现没有与GC?Roots相连接的引用链。

第一次标记并进行一次筛选

筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法。

当对象没有覆盖finalize方法，对象将直接被回收。

第二次标记

如果这个对象覆盖了finalize方法，finalize方法是对象脱逃死亡命运的最后一次机会，如果对象要在finalize()中成功拯救自己，只要重新与引用链上的任何的一个对象建立关联即可，譬如把自己赋值给某个类变量或对象的成员变量，那在第二次标记时它将移除出“即将回收”的集合。如果对象这时候还没逃脱，那基本上它就真的被回收了。

public class OOMTest {

   public static void main(String[] args) {
      List<Object> list = new ArrayList<>();
      int i = 0;
      int j = 0;
      while (true) {
         list.add(new User(i++, UUID.randomUUID().toString()));
         new User(j--, UUID.randomUUID().toString());
      }
   }
}

2.5 如何判断一个类是无用的类

方法区主要回收的是无用的类，那么如何判断一个类是无用的类的呢？

类需要同时满足下面3个条件才能算是 “无用的类” ：

该类所有的实例都已经被回收，也就是 Java堆中不存在该类的任何实例。
加载该类的 ClassLoader 已经被回收。
该类对应的 java.lang.Class对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

3 垃圾收集算法

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3.1 标记清楚法

它是最基础的垃圾收集算法，算法分为两部分：“标记” “清除” 。首先是标记出所有的需要回收的对象，在标记完成以后统一回收被标记的对象。两个不足：

效率问题，标记和清除两个过程的效率都不高；
空间问题，标记清除后会产生大量不连续的碎片；

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3.2 复制算法

为了解决效率问题，复制算法出现了。它可以把内存分为大小相同的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存使用完后，就将还存活的对象复制到另一块区，然后再把使用的空间一次清理掉。这样就使每次的内存回收都是对内存区间的一半进行回收

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3.3 标记-整理算法

根据老年代的特点提出的一种标记算法，标记过程和“标记-清除”算法一样，但是后续步骤不是直接对可回收对象进行回收，而是让所有存活的对象向一段移动，然后直接清理掉边界以外的内存

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3.4 分代收集算法

现在的商用虚拟机的垃圾收集器基本都采用"分代收集"算法，这种算法就是根据对象存活周期的不同将内存分为几块。一般将java堆分为新生代和老年代，这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。

在新生代中，每次收集都有大量对象死去，所以可以选择复制算法，只要付出少量对象的复制成本就可以完成每次垃圾收集。而老年代的对象存活几率时比较高的，而且没有额外的空间对它进行分配担保，就必须选择“标记-清除”或者“标记-整理”算法进行垃圾收集

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