Java 内存模型之堆内存管理

 2019-12-10 15:54  阅读(872)
文章分类:Java Core

Java 内存模型之堆内存(Heap)

一、背景知识:内存类型介绍

20191210001398\_1.png

1、什么是 Perm Gen?

Perm Gen : Permanent Generation

Perm Gen 区是一个特殊的JVM内存区,因为它用来存储用来描述 Class 的

元数据(Class 可以不属于Java语言的一部分,也可以属于),诸如:描述类及其方法。

在大的应用中该区一会儿就满了,并抛出错误:java.lang.OutOfMemoryError: PermGen

然而无论你怎么设置 -Xmx 也不管用。

因为设置其大小的参数不是 -Xmx,而是 -XX:PermGen, -XX:MaxPermGen (不同Java版本略有变化)

2、Heap VS. Stack VS. Perm

Heap(堆内存):

使用Java语言创建的所有的引用对象类型,都在此存储。并由 GC (Garbage Collection)对其进行管理,

诸如:释放不再被程序引用的对象所占据的内存。

Stack(栈内存):

与 Heap 相对的是,Stack 存放基础数据类型。诸如:int, char 等。

由程序的执行顺序控制变量的进出栈顺序,而不是由 GC 控制栈内存的管理。

Perm(持久内存):

用于存储类的元数据。诸如:类的定义,方法的定义等。

Perm 的生命周期与 JVM 绑定,而 Heap 的生命周期与程序绑定。

二、堆内存(Heap) 与 Garbage Collection

理解 GC (Garbage Collection),需要理解 Heap 。

JVM 的 Heap 堆内存在物理上被划分为两部分:Young Gen, Old Gen

1、 JVM 内存管理之:Young Gen

所有新创建的 Object 首先被放在 Young Generation 内存区。

如果 Young Generation 内存区满了,则执行 Garbage Collection 。这种 GC 称为 Minor GC。

Young Generation 区又分为三部分: Eden Memory,Survivor0 Memory (S0),Survivor1 Memory(S1).

Young Generation 内存区要点:

1、绝大多数新建的 Object 被放在 Eden Memory

2、如果 Eden Memory 内存满了,则进行 GC 操作。

同时把未被 GC 的 Object 移动到 S0 或 S1 中。

此时 Minor GC 也会检查和移动 S0 和 S1 中的对象。

最后使 S0,S1 其中一个置为空。

3、多次 GC 后仍然未被 GC 的 Object 将被移动到 Old Gen 内存区中。

通常 Object 会被 GC 设定一个轮询的阀值。

2、 JVM 内存管理之:Old Gen

Old Gen 内存区存放了经过多次 Minor GC 后仍然不能被 GC 的 Object。

与 Young Gen 相同,当 Old Gen 区满了之后将执行 GC 操作,该操作称为:Major GC。

耗用的时间也相对较长。

stop-the-world 事件

Young Gen 和 Old Gen 都可以主动触发 stop-the-world 事件,挂起所有任务,执行 GC 操作。

被挂起的任务只有在 GC 执行完毕后,才会恢复执行。

多数情况下, GC 性能调优(GC tuning)就是指降低 stop-the-world 时 GC 执行的时间。

三、Perm Gen

JVM 在 Permanent Generation 或 Perm Gen 内存区中存放应用程序的元数据

(application metadata),用来描述类及其方法的原始信息。

注意:Perm Gen 不是 Heap 的一部分。

Perm Gen 被 JVM 使用于应用程序运行期间(runtime),基于应用所使用到的类。

Perm Gen 中同时包括 Java SE 包中的类。

Perm Gen 只有在执行 Full GC 时才会被 GC。

四、内存管理调优参数

-Xms

设置JVM启动时的堆内存(Heap)的大小

-Xmx For setting the maximum heap size.

设置堆内存(Heap)的最大值

-Xmn

设置 Young Gen 内存区的大小

-XX:PermGen

设置 Perm Gen 内存的初始大小

-XX:MaxPermGen

设置 Perm Gen 内存的最大值

-XX:SurvivorRatio

设置 Eden Gen 与 S0 Gen,S1 Gen 内存的大小比。默认值:8

例如:

Young Gen 大小为 10M,

-XX:SurvivorRatio=2

则:

Eden Gen 的大小为 5,

S0 和 S1 的大小分别为 2.5

-XX:NewRatio

设置 Old Gen / Young Gen 的值。默认:2

大部分情况下,默认值不用调。详细请参考
官方文档

五、Java内存管理之 Garbage Collection

垃圾回收 GC (Garbage Collection) 是 Java 鉴别、移出内存中不再使用的对象,

并释放其所占内存的过程。

Java 语言的一项非常好的特点就是:自动垃圾回收(Automatic GC)。

不像其它语言(例如 C 语言),需要手动释放内存。

Java 的垃圾收集器是一个在后台运行的程序,它检查所有在内存中运行的对象,

并找出那些不再在程序中的任何地方引用到的对象。

这些对象将被声明为程序运行垃圾,以释放其所占的内存,为其它对象继续使用。

GC 的运行步骤:

1、Marking(标记):

这是GC工作的第一步。鉴定出不再使用的对象,并对其进行标记。

2、Normal Deletion(一般化删除):

移除不使用的对象,并释放其所占空间。

3、Deletion with Compacting(压缩删除):

在删除所有不再使用的对象后,所有未被删除的对象将被移动到一起。

这样可以提高对 new Objects 分配内存时的性能。

这种简单的 Mark 然后 delete 的方式有两点不足:

1、不高效。新对象刚创建完,还没有被引用时就被删除了。

2、重复。那些即使一直被程序引用的对象,也要在每次的GC轮询中被检查。

Java堆是被所有线程共享的一块内存区域,所有对象和数组都在堆上进行内存分配。为了进行高效的垃圾回收,虚拟机把堆内存划分成新生代、老年代和永久代(1.8中无永久代,使用metaspace实现)三块区域。
20191210001398\_2.png

Java把内存分成两种:栈内存和堆内存。关于堆内存和栈内存的区别与联系。简单的来讲,堆内存用于存放由new创建的对象和数组,在堆中分配的内存,由java虚拟机自动垃圾回收器来管理。而栈内存由使用的人向系统申请,申请人进行管理。

堆内存初始化

Java中分配堆内存是自动初始化的,其入口位于Universe::initialize_heap方法中,相关代码如下:
20191210001398\_3.png

其中UseParallelGC、UseG1GC、UseConcMarkSweepGC都可以通过启动参数进行设置,整个初始化过程分成三步:
1、初始化GC策略;
2、初始化分代生成器;
3、初始化Java堆管理器;

GC策略初始化

HotSpot的GC策略实现如下:
20191210001398\_4.png

其中MarkSweepPolicy是基于标记-清除思想的GC策略,如果虚拟机启动参数没有指定GC算法,则使用默认使用UseSerialGC,以ASConcurrentMarkSweepPolicy策略为例,对GC策略的初始化过程进行分析:
20191210001398\_5.png

调用父类ConcurrentMarkSweepPolicy构造方法,其中initialize_all定义在GenCollectorPolicy中,相关代码如下:
20191210001398\_6.png

initialize_flags

负责对新生代、老年代以及永久代设置的内存大小进行调整。

调整永久代

由CollectorPolicy::initialize_flags实现,永久代的初始值默认为4M,最大值为64M,可以通过参数-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize进行重新设置。代码如下:

20191210001398\_7.png

调整新生代

由GenCollectorPolicy::initialize_flags实现:
1、新生代的初始值NewSize默认为1M,最大值需要设置,可以通过参数-XX:NewSize和-XX:MaxNewSize或-Xmn进行设置;
2、NewRatio为老年代与新生代的大小比值,默认为2;
3、SurvivorRatio为新生代中Eden和Survivor的大小比值,默认为8;

20191210001398\_8.png

调整老年代

由TwoGenerationCollectorPolicy::initialize_flags实现
1、老年代的初始值OldSize默认为4M,可以通过参数-XX:OldSize进行设置;
2、最大堆大小MaxHeapSize默认为96M,可以通过参数-Xmx进行设置;
3、如果设置的新生代和老年代的内存容量大于MaxHeapSize,则重新设置MaxHeapSize;

20191210001398\_9.png

initialize_size_info

设置新生代、老年代以及永久代的容量,包括初始值、最小值和最大值

设置堆容量

其中InitialHeapSize和Arguments::min_heap_size()可以通过参数-Xms进行设置。
1、设置初始堆容量_initial_heap_byte_size;
2、设置最小堆容量_min_heap_byte_size;
3、设置最大堆容量_max_heap_byte_size;

相关代码如下:
20191210001398\_10.png

设置新生代

20191210001398\_11.png

1、如果MaxNewSize重新设置过,即设置-Xmn参数,则根据不同情况设置max_new_size;
2、否则通过scale_by_NewRatio_aligned方法根据NewRatio和_max_heap_byte_size重新计算max_new_size值,其中NewRatio默认为2,表示新生代的大小占整个堆的1/3;

20191210001398\_12.png

3、如果最大堆_max_heap_byte_size等于最小堆_min_heap_byte_size,则设置新生代的初始值、最小值和最大值为max_new_size,否则执行下一步。

20191210001398\_13.png

4、如果NewSize重新设置过,即设置了-Xmn参数,则使用NewSize设置_min_gen0_size,否则使用scale_by_NewRatio_aligned方法重新计算新生代最小值和初始值,实现如下:

20191210001398\_14.png

设置老年代

1、如果参数没有设置OldSize,则使用min_heap_byte_size() – min_gen0_size(),即最小堆大小和新生代最小值之差设置老年代最小值,初始值类似;
2、否则根据设置的OldSize,通过adjust_gen0_sizes方法重新设置新生代的最小值和初始值;

初始化分代生成器

分代生成器保存了各个内存代的初始值和最大值,新生代和老年代通过GenerationSpec实现,永久代通过PermanentGenerationSpec实现。

GenerationSpec

20191210001398\_15.png

每个生成器GenerationSpec实例保存当前分代的GC算法、内存的初始值和最大值。

PermanentGenerationSpec

20191210001398\_16.png

除了GenerationSpec实例中的数据,如果设置UseSharedSpaces和DumpSharedSpaces,还需要保存额外的数据。ConcurrentMarkSweepPolicy::initialize_generations方法实现了分代生成器的初始化,实现如下:
20191210001398\_17.png

初始化Java堆管理器

GenCollectedHeap是整个Java堆的管理器,负责Java对象的内存分配和垃圾对象的回收,通过initialize方法进行初始化,相关代码如下:

20191210001398\_18.png

1、通过GC策略的number_of_generations方法获取分代数量,如果使用ASConcurrentMarkSweepPolicy,默认分代数为2;
2、通过align方法对齐生成器的初始值和最大值;

20191210001398\_19.png

3、通过allocate为堆申请空间;
20191210001398\_20.png

4、通过分代生成器的init方法为对应的分代分配内存空间;
20191210001398\_21.png

5、如果当前的GC策略为ConcurrentMarkSweepPolicy,则通过create_cms_collector创建GC线程。

到此,JVM堆内存的完整分配流程就分析完了。

点赞(0)
版权归原创作者所有,任何形式转载请联系作者; Java 技术驿站 >> Java 内存模型之堆内存管理

相关推荐