Java 堆内存模型

 2019-12-10 15:50  阅读(615)
文章分类:Java Core

堆内存

Java 中的堆是 JVM 所管理的最大的一块内存空间,主要用于存放各种类的实例对象。

在 Java 中。堆被划分成两个不同的区域:新生代 ( Young )、老年代 ( Old )。新生代 ( Young ) 又被划分为三个区域:Eden、From Survivor、To Survivor。

这样划分的目的是为了使 JVM 可以更好的管理堆内存中的对象。包含内存的分配以及回收。
堆的内存模型大致为:

《Java 堆内存模型》

从图中能够看出: 堆大小 = 新生代 + 老年代。当中,堆的大小能够通过參数 –Xms、-Xmx 来指定。
本人使用的是 JDK1.6。下面涉及的 JVM 默认值均以该版本号为准。
默认的,新生代 ( Young ) 与老年代 ( Old ) 的比例的值为 1:2 ( 该值能够通过參数 –XX:NewRatio 来指定 ),即:新生代 ( Young ) = 1/3 的堆空间大小。
老年代 ( Old ) = 2/3 的堆空间大小。当中,新生代 ( Young ) 被细分为 Eden 和 两个 Survivor 区域。这两个 Survivor 区域分别被命名为 from 和 to。以示区分。

默认的。Edem : from : to = 8 : 1 : 1 ( 能够通过參数 –XX:SurvivorRatio 来设定 ),即: Eden = 8/10 的新生代空间大小。from = to = 1/10 的新生代空间大小。

JVM 每次仅仅会使用 Eden 和当中的一块 Survivor 区域来为对象服务,所以不管什么时候,总是有一块 Survivor 区域是空暇着的。

因此,新生代实际可用的内存空间为 9/10 ( 即90% )的新生代空间。

GC 堆

Java 中的堆也是 GC 收集垃圾的主要区域。GC 分为两种:Minor GC、Full GC ( 或称为 Major GC )。

Minor GC 是发生在新生代中的垃圾收集动作,所採用的是复制算法。
新生代差点儿是全部 Java 对象出生的地方,即 Java 对象申请的内存以及存放都是在这个地方。

Java 中的大部分对象通常不需长久存活。具有朝生夕灭的性质。
当一个对象被判定为 “死亡” 的时候,GC 就有责任来回收掉这部分对象的内存空间。

新生代是 GC 收集垃圾的频繁区域。

当对象在 Eden ( 包含一个 Survivor 区域。这里如果是 from 区域 ) 出生后,在经过一次 Minor GC 后,如果对象还存活,而且可以被另外一块 Survivor 区域所容纳
( 上面已经如果为 from 区域,这里应为 to 区域,即 to 区域有足够的内存空间来存储 Eden 和 from 区域中存活的对象 ),则使用复制算法将这些仍然还存活的对象拷贝到另外一块 Survivor 区域 ( 即 to 区域 ) 中,然后清理所使用过的 Eden 以及 Survivor 区域 ( 即 from 区域 ),而且将这些对象的年龄设置为1,以后对象在 Survivor 区每熬过一次 Minor GC,就将对象的年龄 + 1,当对象的年龄达到某个值时 ( 默认是 15 岁,能够通过參数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设定 )。这些对象就会成为老年代。
但这也不是一定的,对于一些较大的对象 ( 即须要分配一块较大的连续内存空间 ) 则是直接进入到老年代。
Full GC 是发生在老年代的垃圾收集动作。所採用的是标记-清除算法。

现实的生活中,老年代的人一般会比新生代的人 “早死”。堆内存中的老年代(Old)不同于这个。老年代里面的对象差点儿个个都是在 Survivor 区域中熬过来的,它们是不会那么easy就 “死掉” 了的。因此,Full GC 发生的次数不会有 Minor GC 那么频繁。而且做一次 Full GC 要比进行一次 Minor GC 的时间更长。
另外,标记-清除算法收集垃圾的时候会产生很多的内存碎片 ( 即不连续的内存空间 )。此后须要为较大的对象分配内存空间时,若无法找到足够的连续的内存空间,就会提前触发一次 GC 的收集动作。

GC 日志

public static void main(String[] args) {
Object obj = new Object();
System.gc();
System.out.println();
obj = new Object();
obj = new Object();
System.gc();
System.out.println();
}
设置 JVM 參数为 -XX:+PrintGCDetails,使得控制台可以显示 GC 相关的日志信息。运行上面代码。以下是当中一次运行的结果。

20191210001339\_1.png

20191210001338\_2.png

Full GC 信息与 Minor GC 的信息是相似的。这里就不一个一个的画出来了。

从 Full GC 信息可知,新生代可用的内存大小约为 18M。则新生代实际分配得到的内存空间约为 20M(为什么是 20M? 请继续看以下…)。老年代分得的内存大小约为 42M,堆的可用内存的大小约为 60M。能够计算出: 18432K ( 新生代可用空间 ) + 42112K ( 老年代空间 ) = 60544K ( 堆的可用空间 )
新生代约占堆大小的 1/3。老年代约占堆大小的 2/3。

也能够看出。GC 对新生代的回收比較乐观,而对老年代以及方法区的回收并不明显或者说不及新生代。

而且在这里 Full GC 耗时是 Minor GC 的 22.89 倍。

JVM 參数选项

jvm 可配置的參数选项能够參考 Oracle 官方站点给出的相关信息:http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/tech/vmoptions-jsp-140102.html
以下仅仅列举当中的几个经常使用和easy掌握的配置选项:

 -Xms  初始堆大小。如:-Xms256m
 -Xms  初始堆大小。如:-Xms256m
 -Xmx  最大堆大小。如:-Xmx512m
 -Xmn  新生代大小。通常为Xmx的1/3或1/4。新生代=Eden+2个Survivor空间。实际可用空间为=Eden+1个Survivor。即90% 
 -Xss  JDK1.5+每一个线程堆栈大小为1M,一般来说假设栈不是非常深的话,1M是绝对够用了的。
 -XX:NewRatio  新生代与老年代的比例。如–XX:NewRatio=2。则新生代占整个堆空间的1/3。老年代占2/3
 -XX:SurvivorRatio  新生代中Eden与Survivor的比值。默认值为8。即Eden占新生代空间的8/10,另外两个Survivor各占1/10 
 -XX:PermSize  永久代(方法区)的初始大小
 -XX:MaxPermSize  永久代(方法区)的最大值
 -XX:+PrintGCDetails  打印GC信息
 -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError  让虚拟机在发生内存溢出时Dump出当前的内存堆转储快照,以便分析用

1 /**
2 -Xms60m
3 -Xmx60m
4 -Xmn20m
5 -XX:NewRatio=2 ( 若 Xms = Xmx, 而且设定了 Xmn, 那么该项配置就不须要配置了 )
6 -XX:SurvivorRatio=8
7 -XX:PermSize=30m
8 -XX:MaxPermSize=30m
9 -XX:+PrintGCDetails
10 */
11 public static void main(String[] args) {
12 new Test().doTest();
13 }
14
15 public void doTest(){
16 Integer M = new Integer(1024 * 1024 * 1); // 单位, 兆(M)
17 byte[] bytes = new byte[1 * M]; // 申请 1M 大小的内存空间
18 bytes = null; // 断开引用链
19 System.gc(); // 通知 GC 收集垃圾
20 System.out.println();
21 bytes = new byte[1 * M]; // 又一次申请 1M 大小的内存空间
22 bytes = new byte[1 * M]; // 再次申请 1M 大小的内存空间
23 System.gc();
24 System.out.println();
25 }
按上面代码中凝视的信息设定 jvm 相关的參数项,并运行程序。以下是一次运行完毕控制台打印的结果:

[ GC [ PSYoungGen: 1351K -> 288K (18432K) ] 1351K -> 288K (59392K), 0.0012389 secs ] [ Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs ]
[ Full GC (System) [ PSYoungGen: 288K -> 0K (18432K) ] [ PSOldGen: 0K -> 160K (40960K) ] 288K -> 160K (59392K) [ PSPermGen: 2942K -> 2942K (30720K) ], 0.0057649 secs ] [ Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs ]

[ GC [ PSYoungGen: 2703K -> 1056K (18432K) ] 2863K -> 1216K(59392K), 0.0008206 secs ] [ Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs ]
[ Full GC (System) [ PSYoungGen: 1056K -> 0K (18432K) ] [ PSOldGen: 160K -> 1184K (40960K) ] 1216K -> 1184K (59392K) [ PSPermGen: 2951K -> 2951K (30720K) ], 0.0052445 secs ] [ Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.01 secs ]

Heap
PSYoungGen total 18432K, used 327K [0x00000000fec00000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
eden space 16384K, 2% used [0x00000000fec00000,0x00000000fec51f58,0x00000000ffc00000)
from space 2048K, 0% used [0x00000000ffe00000,0x00000000ffe00000,0x0000000100000000)
to space 2048K, 0% used [0x00000000ffc00000,0x00000000ffc00000,0x00000000ffe00000)
PSOldGen total 40960K, used 1184K [0x00000000fc400000, 0x00000000fec00000, 0x00000000fec00000)
object space 40960K, 2% used [0x00000000fc400000,0x00000000fc5281f8,0x00000000fec00000)
PSPermGen total 30720K, used 2959K [0x00000000fa600000, 0x00000000fc400000, 0x00000000fc400000)
object space 30720K, 9% used [0x00000000fa600000,0x00000000fa8e3ce0,0x00000000fc400000)
从打印结果能够看出,堆中新生代的内存空间为 18432K ( 约 18M ),eden 的内存空间为 16384K ( 约 16M),from / to survivor 的内存空间为 2048K ( 约 2M)。

这里所配置的 Xmn 为 20M。也就是指定了新生代的内存空间为 20M,但是从打印的堆信息来看,新生代怎么就仅仅有 18M 呢? 另外的 2M 哪里去了?

别急,是这种。新生代 = eden + from + to = 16 + 2 + 2 = 20M。可见新生代的内存空间确实是按 Xmn 參数分配得到的。
并且这里指定了 SurvivorRatio = 8,因此,eden = 8/10 的新生代空间 = 8/10 * 20 = 16M。from = to = 1/10 的新生代空间 = 1/10 * 20 = 2M。
堆信息中新生代的 total 18432K 是这样来的: eden + 1 个 survivor = 16384K + 2048K = 18432K,即约为 18M。
由于 jvm 每次仅仅是用新生代中的 eden 和 一个 survivor,因此新生代实际的可用内存空间大小为所指定的 90%。
因此能够知道,这里新生代的内存空间指的是新生代可用的总的内存空间,而不是指整个新生代的空间大小。
另外,能够看出老年代的内存空间为 40960K ( 约 40M ),堆大小 = 新生代 + 老年代。因此在这里,老年代 = 堆大小 – 新生代 = 60 – 20 = 40M。
最后,这里还指定了 PermSize = 30m,PermGen 即永久代 ( 方法区 ),它另一个名字。叫非堆,主要用来存储由 jvm 载入的类文件信息、常量、静态变量等。

打个盹,回到 doTest() 方法中。能够看到代码在第 17、21、22 这三行中分别申请了一块 1M 大小的内存空间。并在 19 和 23 这两行中分别显式的调用了 System.gc()。从控制台打印的信息来看,每次调 System.gc(),是先进行 Minor GC。然后再进行 Full GC。

第 19 行触发的 Minor GC 收集分析:
从信息 PSYoungGen : 1351K -> 288K,能够知道,在第 17 行为 bytes 分配的内存空间已经被回收完毕。
引起 GC 回收这 1M 内存空间的因素是第 18 行的 bytes = null; bytes 为 null 表明之前申请的那 1M 大小的内存空间如今已经没有不论什么引用变量在使用它了。
而且在内存中它处于一种不可到达状态 ( 即没有不论什么引用链与 GC Roots 相连 )。那么,当 Minor GC 发生的时候,GC 就会来回收掉这部分的内存空间。
第 19 行触发的 Full GC 收集分析:
在 Minor GC 的时候,信息显示 PSYoungGen : 1351K -> 288K。再看看 Full GC 中显示的 PSYoungGen : 288K -> 0K,能够看出,Full GC 后,新生代的内存使用变成
0K 了 ( 0K。零 K。有没有人看成是英文的 OK 的 ? 好吧。

我承认我第一次看的时候以为是英文的 OK,当时还特意在控制台打印 0K 和 OK 来确认。最后发现英文的 O 长得比阿拉伯数字的 0 要丰满和胖一些。如今印象还是比較深刻的。

好像。。我跑题了 ~~ )
刚刚说到 Full GC 后,新生代的内存使用从 288K 变成 0K 了。那么这 288K 究竟哪去了 ? 难道都被 GC 当成垃圾回收掉了 ?

当然不是了。

我还特意在 main 方法中 new 了一个 Test 类的实例,这里的 Test 类的实例属于小对象。它应该被分配到新生代内存其中。如今还在调用这个实例的 doTest 方法呢,GC 不可能在这个时候来回收它的。
接着往下看 Full GC 的信息,会发现一个非常有趣的现象,PSOldGen: 0K -> 160K,能够看到,Full GC 后,老年代的内存使用从 0K 变成了 160K,想必你已经猜到大概是怎么回事了。当 Full GC 进行的时候,默认的方式是尽量清空新生代 ( YoungGen ),因此在调 System.gc() 时。新生代 ( YoungGen ) 中存活的对象会提前进入老年代。
第 23 行触发的 Minor GC 收集分析:
从信息 PSYoungGen : 2703K -> 1056K,能够知道。在第 21 行创建的。大小为 1M 的数组被 GC 回收了。

在第 22 行创建的。大小也为 1M 的数组因为 bytes 引用变量还在引用它,因此。它临时未被 GC 回收。
第 23 行触发的 Full GC 收集分析:
在 Minor GC 的时候,信息显示 PSYoungGen : 2703K -> 1056K。Full GC 中显示的 PSYoungGen : 1056K -> 0K,以及 PSOldGen: 160K -> 1184K,能够知道,新生代 ( YoungGen ) 中存活的对象又提前进入老年代了。

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