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从Java运行时区域到GC

Lin2J
2021-01-03 / 0 评论 / 0 点赞 / 440 阅读 / 4,868 字 / 正在检测是否收录...

运行时数据区域(五大部分)

为了方便内存的管理,将JVM进程的内存细分为以下五部分。各个部分有各个部分的职责。这五部分里,有些是线程共享的,有些则是线程私有的。(在进程之中,线程组可以共享进程的内存,另外,还有线程私有的内存)。

线程共享
  • 内存区域中,最大的一块。用来存放对象实例,几乎所有的对象实例数组的都是在这里分配内存的。(对于hotspot虚拟机而言,class对象虽然是对象,但是却存放在方法区中。)
  • 这里是垃圾回收的主要场所,因此也叫GC堆。为了方便GC,还将这里的内存细分为更小的部分,下面说垃圾回收会谈到。
方法(类)区((JDK 1.8 后被移入直接内存,并改名为 元空间)
  • 用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态常量、即时编译器编译后的代码等数据(反射动态代理生成的class对象也会在这里存储)。
  • 也叫永久代。二者的关系:方法区是一种能够概念,而永久代是一种概念的实现(HotSpot),类似于接口(方法区)和实现类(永久代)的关系。
  • 运行时常量池:用于存放编译期生成的各种字面量(如“abc”)和符号引用。运行时产生的常量也可以被放在这里,如String的intern()方法。
  • 为什么要将方法区移动到直接内存?
线程私有
程序计数器(PC)
  • 当前线程执行的字节码的行号的指示器。
  • 因为每个线程执行的指令不同,所以这个部分不能共用,属于线程私有(这样属于空间换取时间,也可以简化问题,相类似的做法还有ThreadLocal)。
  • 其中存储的是,当前正在执行的指令的地址,然后下一条指令也是通过PC获取(获取了指令后,PC的值加一,下次就可以直接取,取后再加一)。

可以参考CPU中的程序计数器(用于获取下一条指令)的工作原理,但是二者有区别,CPU中除了PC,还有指令寄存器存储正在执行的指令)。
二者的功能融合起来就是JVM中的程序计数器。虚拟机的各种循环、选择、跳转、异常处理、线程恢复,都需要靠这个PC。

  • 如果当前执行的本地方法(native),那么PC的内容为空
  • PC随线程的诞生而创建,这个位置内存很小,大小是一个字长(64位系统的字长为 64bit),这样在PC内就可以存储一个本地引用,也可以存储returnAdress
  • 唯一不会出现OOME(OutOfMemoryError)的地方。
虚拟机方法栈
  • 这个部分与Java方法调用有关。Java中,调用一个方法时,JVM会为这个方法创建一个栈帧局部变量表,方法返回地址,动态连接,操作数栈等),然后将这个栈帧压入虚拟机方法栈中。

栈帧结构的介绍:传送门

  • 可能发生的异常
    • StackOverFlowError:如果方法栈不能动态扩展容量,那么由于栈的大小是有限的,不能无限压入栈帧。当超过最大限度时,就会栈溢出。
    • OutOfMemoryError:如果方法栈的可以动态拓展容量,那么当最后一次扩容时,因为没有内存了,就会报出内存不足。
  • 栈帧的弹出,当出现异常或者执行到return时,会导致栈帧被弹出
本地方法栈
  • 与虚拟机方法栈极其类似,不同的是,这个部分是为本地方法服务的

垃圾回收

堆内存的划分

堆的划分

  • 在堆中,有 1/3 大小为新生代,2/3 为老年代。新生代中还有Eden区和Survivor区,Survivor又有From和To两小部分。新生代的对象存活时间一般比较短,老年代的存活时间长。
  • 为什么要分老年代和新生代?目前主流的垃圾收集器都使用分代回收法。对于不同的区,存放的对象有所区别,GC的方法也相应的有所不同。
  • 那对象有什么不同呢?这就涉及到内存分配策略了。而在这之前,先介绍两种回收策略
回收策略
Minor GC
  • 发生在新生代,因为新生代的对象存活时间短,因此Minor GC会被频繁执行,执行速度也比较快
Full GC
  • 发生在新生代和老年代,因为老年代的对象存活时间比较长,因此Full GC很少执行,执行速度慢
分配策略
对象优先在Eden分配
  • 当Eden区空间不足了,便发生一次Minor GC。
大对象直接进入老年代
  • 需要大量连续内存的对象,典型代表:长字符串、长数组。
  • 为什么这样规定呢?主要是避免大对象在Survivor中的From和To之间来回大量复制,影响性能。
长期存活的对象进入老年代
  • 对于一个对象,从在Eden出生并经过Minor GC,如果存活下来年龄加一。当增加到一定的年龄时,便进入老年代。
动态对象年龄判定
  • JVM并不要求一定要达到某个年龄才能进入老年代。在Survivor区中,对于某个年龄,如果该年龄的对象的大小总和大于Survivor空间的一半,那么,大于或者等于该年龄的对象可以直接进入老年代
空间分配担保
  • 在发生Minor GC之前,虚拟机先检查老年代中最大的连续的可用空间是否大于新生代对象所有对象大小的总和,如果大于,那么这次Minor GC是安全的。否则JVM会查看HandlePromotionFailure(分配担保)的值(true 或者 false)。
  • true:检查历次Minor GC中存活下来并进入老年代的对象的大小的平均值,并检查这个平均值是否小于老年代中可用连续空间的大小。如果小于,则发生Minor GC。这种做法是有风险的,因为这次新生代存活的对象的大小总和可能比这个平均值高得多。
  • false:不允许冒险,发生一次Full GC
判断一个对象是否该被回收

如果一个对象没有被引用,那么该对象就没有存活的价值了,因为我们无法再通过引用去操纵这部分内存里的内容。所以我们需要通过算法来判断一个对象有没有被引用。

引用计数法
  • 当一个对象被引用,计数器就加1;引用失效后,计数器减1。这样,在回收内存时,只需要(标记)回收计数器为0的对象。
  • 这个方法有什么弊端呢?先看一段代码
    public class Test {
    
        public Object instance = null;
    
        /**
         * 在这段代码中,1 处的对象实例(Test的实例)先是被a引用,然后被a
         * 的成员 instance引用,2 处也是如此。虽然后来a和b不引用这两个对
         * 象实例了。但是因为 instance的存在,导致了这两个实例的空间不能
         * 被回收。另外,我们不能使用a.instance = null 了,因为a现在指
         * 向的是null,这样写的话,会报出空指针异常。
         */
        public static void main(String[] args) {
            Test a = new Test(); // 1
            Test b = new Test(); // 2
            a.instance = b;
            b.instance = a;
            a = null;
            b = null;
        }
    }
    
  • 在上面的代码中,a和b都不能使用了,但是各自的内部都引用着对方。两个对象实例的引用计数器永远都是1,这种情况叫循环引用。JVM就不知道这两个是要回收掉的,因为不符合引用计数法的回收规则。
  • 引用计数法实现简单,效率也很高,但是对循环引用是没办法处理的

有没有一种方法可以解决循环引用的问题呢?

可达性分析算法
  • 通过一系列称为”GC Roots”的对象作为起点,以这些对象为起始点,从这些点开始往下搜索,走过的路径称为引用链,最后将不在引用链上的对象(标记)回收即可。
    gc_roots如图,obj4、5属于循环引用,(R1->Obj1->Obj2)是一条引用链。如果现在发生GC,那么很可能4,5,8,9会被回收。
  • 可以作为GC Roots的对象有哪些?
    • 虚拟机栈局部变量表中引用的对象
    • 本地方法栈JNI中引用的对象
    • 方法区中静态属性引用的对象
    • 方法区中常量引用的对象
回收方法区
废弃常量的回收
  • 比较简单,当一个常量没有被引用,那么它就应该被回收。
无用类的回收
  • 相对复杂,主要是对于无用类的判定,需要同时满足下列的所有条件,才有可能被回收
    1. 该类的所有实例对象均已被回收。
    2. 加载该类的ClassLoader已经被回收。
    3. 该类的class对象没有被引用,即无法通过该类的class对象操作该类(通过反射实例化、操作方法等)。
垃圾收集的算法

通过上面的操作,我们已经知道那些对象该回收了。接下来我们就说一下,我们要怎么回收。

标记-清除算法
  • 标记:使用可达性分析算法,从根节点遍历,标记出要回收的对象。
  • 清除:遍历堆中(新生代和老年代)的所有对象,然后将有清除标记的对象的内存回收。
    标记-清除算法图片来自JavaGuide
  • 可以看出这种方法有以下特点
    • 思想简单。
    • 效率不高:标记和清除都需要遍历所有的对象。
    • 空间利用率不高,会产生大量的内存碎片

    如果某时需要一块很大连续的内存存放一个大对象,虽然内存总和能满足条件,但因为可用内存空间零散(不连续),即找不到满足条件的内存块。此时,需要触发一次Full GC来腾出空间。但是GC是很费时费力的,特别是在交互式应用程序里,应尽量避免GC的发生。

复制算法
  • 将可用内存分为两块一样大小的内存a和b,每次只使用其中一块a分配给对象。发生GC时,将存活的对象复制到另一块b中,然后将当前块a内的所有对象全部清除。
    标记复制算法
    图片来自JavaGuide
  • 该算法有以下特点
    • 实现简单,运行高效。
    • 内存分配时,不用考虑内存碎片的问题。只需要将堆顶指针往后移动即可。
    • 空间利用率不高,每次只能用可用内存的一半,代价太高。

复制算法对空间浪费实在太严重了。

标记-整理算法
  • 标记:使用可达性分析算法,从根节点遍历,标记出要回收的对象。
  • 整理:将没有标记回收的对象向内存的一端移动,然后直接清理掉端边界之外的对象。
    标记整理算法
    图片来自JavaGuide
  • 该算法有以下特点
    • 分配内存时不用考虑内存碎片的问题。
    • 需要移动大量对象,处理效率不高。

上面的算法自身都是有好有坏,只适合于某种情况。而我们前面谈到给堆的分代是为了简化问题,方便GC。通过下面这个算法,你应该可以理解分代的好处。

分代收集算法

这个算法其实没什么高深之处,只不过是根据各个年代的特点来使用不同的收集算法,这个就是上面介绍的三种算法的集大成。

  • 新生代:因为新生代中的对象大多存活时间非常短的,所以一般每次都只剩少量对象能存活下来而已。所以采用复制算法
  • 老年代:因为老年代的对象一般存活时间是比较长的,所以每次GC后,都会有大量对象存活,所以采用标记-清除算法或者标记-整理算法
  • 新生代的复制算法是怎样工作的呢?
    • 之前说过,新生代中 Eden:Survivor.From:Survivor.To = 8:1:1。其实From和To是平等,它们的作用是一样的
    • 因为新生代GC后只有少量存活,所以一般情况下新生代的 1/10 大小是足够放置存活的对象的。
    • GC时,将Eden和From中的存活的对象复制到To之中去(如果To空间满了,则对象直接进入老年代),然后将Eden和From中的空间清理。清理后,此时From区是空白的,下次GC时,存活的对象就该复制到这里来了)。
    • 如果Survivor中的空间不足以保存存活的对象,又该怎么办呢?这时候就需要分配担保机制了。前面讲分配策略时,已经有说过了。其实就是向老年代借空间,老年代够借就借,不够借就发生一次Full GC,Full GC后还不行就要抛Error了。
    • 老年代是没有其他内存给它进行分配担保的,所以不够用就是不够用了。

前面分别谈到了:内存怎么分(分配策略),哪些内存该回收(判断对象存活),怎么回收(垃圾收集算法)。接下来说一下什么时候回收

什么时候进行GC

触发GC的条件很简单

调用System.gc();
  • 当用户调用System.gc()方法时,只是建议虚拟机进行内存回收,但是虚拟机可以选择不立即GC。不过,不建议使用这种方式,我们应该让虚拟机自己去决定,减少人工干预。
老年代空间不足
  • 主要是因为大对象直接进入老年代、长期存活的对象会进入老年代等。
空间分配担保失败
  • 使用复制算法的 Minor GC 需要老年代的内存空间作担保,如果担保失败会执行一次 Full GC。

本文仅是个人的学习笔记,参考了
《深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践》周志明著
Github开源项目:JavaGuide-JVM垃圾回收.md
Github开源项目:JavaGuide-Java内存区域.md
Github开源项目:CyC2018-Java 虚拟机.md
以及网上的多篇文章~~~
如有错误,欢迎指正。

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