Java基础 —— JVM内存模型与垃圾回收

 2019-12-10 16:01  阅读(695)
文章分类:Java Core

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一、概述

对于从事C和C++程序开发的开发人员来说,在内存管理领域,他们既是拥有最高权力的皇帝,又是从事最基础工作的劳动人民—既拥有每一个对象的“所有权”,又担负着每一个对象生命开始到终结的维护责任。

对于Java程序员来说,在虚拟机的自动内存管理机制的帮助下,不再需要为每一个new操作去写配对的delete/free代码,而且不容易出现内存泄漏和内存溢出问题,看起来由虚拟机管理内存一切都很美好。不过,也正是因为Java程序员把内存控制的权力交给了Java虚拟机,一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题,如果不了解虚拟机是怎样使用内存的,那排查错误将会成为一项异常艰难的工作。

二、运行时数据区

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途,以及创建和销毁的时间,有的区域随着虚拟机进程的启动而存在,有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规范(第2版)》的规定,Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域,如下图所示:
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方法区

方法区(Method Area)与Java堆一样,是各个线程共享的内存区域,它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是它却有一个别名叫做Non-Heap(非堆),目的应该是与Java堆区分开来。

对于习惯在HotSpot虚拟机上开发和部署程序的开发者来说,很多人愿意把方法区称为“永久代”(Permanent Generation),本质上两者并不等价,仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区,或者说使用永久代来实现方法区而已。对于其他虚拟机(如BEA JRockit、IBM J9等)来说是不存在永久代的概念的。即使是HotSpot虚拟机本身,根据官方发布的路线图信息,现在也有放弃永久代并“搬家”至Native Memory来实现方法区的规划了。

Java虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松,除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外,还可以选择不实现垃圾收集。相对而言,垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的,但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载,一般来说这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意,尤其是类型的卸载,条件相当苛刻,但是这部分区域的回收确实是有必要的。在Sun公司的BUG列表中,

曾出现过的若干个严重的BUG就是由于低版本的HotSpot虚拟机对此区域未完全回收而导致内存泄漏。 根据Java虚拟机规范的规定,当方法区无法满足内存分配需求时,将抛出OutOfMemoryError异常。

运行时常量池

运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口描述等信息外,还有一项信息是常量池(Constant Pool Table),用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用,这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。 Java虚拟机对Class文件的每一部分(自然也包括常量池)的格式都有严格的规定,每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求,这样才会被虚拟机认可、装载和执行。但对于运行时常量池,Java虚拟机规范没有做任何细节的要求,不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个内存区域。不过,一般来说,除了保存Class文件中描述的符号引用外,还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。 运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性,Java语言并不要求常量一定只能在编译期产生,也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池,运行期间也可能将新的常量放入池中,这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法。 既然运行时常量池是方法区的一部分,自然会受到方法区内存的限制,当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

对于大多数应用来说,Java堆(Java Heap)是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例,几乎所有的对象实例都在这里分配内存。这一点在Java虚拟机规范中的描述是:所有的对象实例以及数组都要在堆上分配,但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟,栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生,所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么“绝对”了。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此很多时候也被称做“GC堆”(Garbage Collected Heap,幸好国内没翻译成“垃圾堆”)。如果从内存回收的角度看,由于现在收集器基本都是采用的 分代收集算法 ,所以Java堆中还可以细分为: 新生代和老年代;再细致一点的有 Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间 等。如果从内存分配的角度看,线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer,TLAB)。不过,无论如何划分,都与存放内容无关,无论哪个区域,存储的都仍然是对象实例,进一步划分的目的是为了更好地回收内存,或者更快地分配内存。在本章中,我们仅仅针对内存区域的作用进行讨论,Java堆中的上述各个区域的分配和回收等细节将会是下一章的主题。

根据Java虚拟机规范的规定,Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中,只要逻辑上是连续的即可,就像我们的磁盘空间一样。在实现时,既可以实现成固定大小的,也可以是可扩展的,不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的(通过-Xmx和-Xms控制)。如果在堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法再扩展时,将会抛出OutOfMemoryError异常。

Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)是线程私有的,它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型:每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

经常有人把Java内存区分为堆内存(Heap)和栈内存(Stack),这种分法比较粗糙,Java内存区域的划分实际上远比这复杂。这种划分方式的流行只能说明大多数程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块。其中所指的“堆”就是Java堆,而所指的“栈”就是现在讲的虚拟机栈,或者说是虚拟机栈中的局部变量表部分。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(reference类型),它不等同于对象本身,根据不同的虚拟机实现,它可能是一个指向对象起始地址的引用指针,也可能指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置)和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)。

其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间(Slot),其余的数据类型只占用1个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配,当进入一个方法时,这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的,在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。 在Java虚拟机规范中,对这个区域规定了两种异常状况:如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度,将抛出StackOverflowError异常;如果虚拟机栈可以动态扩展(当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展,只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈),当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈(Native Method Stacks)与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定,因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机(譬如Sun HotSpot虚拟机)直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样,本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

程序计数器

程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间,它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里(仅是概念模型,各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现),字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。 由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的,在任何一个确定的时刻,一个处理器(对于多核处理器来说是一个内核)只会执行一条线程中的指令。因此,为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每条线程都需要有一个独立的程序计数器,各条线程之间的计数器互不影响,独立存储,我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。 如果线程正在执行的是一个Java方法,这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址;如果正在执行的是Natvie方法,这个计数器值则为空(Undefined)。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

堆和栈分开设计是为什么呢?

  • 栈存储了处理逻辑,堆存储了具体的数据,这样隔离设计更为清晰;
  • 堆与栈分离,使得堆可以被多个栈共享;
  • 栈保存了上下文信息,因此只能向上增长,而堆是动态分配的。

总结:

名称 特征 作用 配置 异常
栈区 线程私有,使用一段连续的内存空间 存放局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口 -XSs StackOverflowError、OutOfMemoryError
线程共享,生命周期与虚拟机相同 保存对象实例 -Xms-Xmx-Xmn OutOfMemoryError
程序计数器 线程私有,占用内存小 字节码行号
方法区 线程共享 存储类加载信息、常量、静态变量等 -XX:PermSize-XX:MaxPermSize OutOfMemoryError

三、对象访问

介绍完Java虚拟机的运行时数据区之后,我们就可以来探讨一个问题:在Java语言中,对象访问是如何进行的?对象访问在Java语言中无处不在,是最普通的程序行为,但即使是最简单的访问,也会却涉及Java栈、Java堆、方法区这三个最重要内存区域之间的关联关系,如下面的这句代码:

Object obj = new Object();

假设这句代码出现在方法体中,那“Object obj”这部分的语义将会反映到Java栈的本地变量表中,作为一个reference类型数据出现。而“new Object()”这部分的语义将会反映到Java堆中,形成一块存储了Object类型所有实例数据值(Instance Data,对象中各个实例字段的数据)的结构化内存,根据具体类型以及虚拟机实现的对象内存布局(Object Memory Layout)的不同,这块内存的长度是不固定的。另外,在Java堆中还必须包含能查找到此对象类型数据(如对象类型、父类、实现的接口、方法等)的地址信息,这些类型数据则存储在方法区中。

由于reference类型在Java虚拟机规范里面只规定了一个指向对象的引用,并没有定义这个引用应该通过哪种方式去定位,以及访问到Java堆中的对象的具体位置,因此不同虚拟机实现的对象访问方式会有所不同,主流的访问方式有两种:使用句柄和直接指针。 如果使用句柄访问方式,Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池,reference中存储的就是对象的句柄地址,而句柄中包含了对象实例数据和类型数据各自的具体地址信息,如下图所示:
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如果使用的是直接指针访问方式,Java 堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息,reference中直接存储的就是对象地址,如下图所示:
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这两种对象的访问方式各有优势,使用句柄访问方式的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址,在对象被移动(垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为)时只会改变句柄中的实例数据指针,而reference本身不需要被修改。使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快,它节省了一次指针定位的时间开销,由于对象的访问在Java中非常频繁,因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。就本书讨论的主要虚拟机Sun HotSpot而言,它是使用第二种方式进行对象访问的,但从整个软件开发的范围来看,各种语言和框架使用句柄来访问的情况也十分常见。

四、垃圾回收

如何定义垃圾

有两种方式:引用计数(但是无法解决循环引用的问题)、可达性分析

判断对象可以回收的情况:

  • 显示的把某个引用置位NULL或者指向别的对象
  • 局部引用指向的对象
  • 弱引用关联的对象

1、引用计数法

这个算法的实现是,给对象中添加一个引用计数器,每当一个地方引用这个对象时,计数器值+1;当引用失效时,计数器值-1。任何时刻计数值为0的对象就是不可能再被使用的。这种算法使用场景很多,但是,Java中却没有使用这种算法,因为 这种算法很难解决对象之间相互引用的情况

2、可达性分析

这个算法的基本思想是通过一系列称为“GC Roots”的对象作为起始点,从这些节点向下搜索,搜索所走过的路径称为引用链,当一个对象到GC Roots没有任何引用链(即GC Roots到对象不可达)时,则证明此对象是不可用的

那么问题又来了,如何选取GCRoots对象呢?在Java语言中,可以作为GCRoots的对象包括下面几种:

  • 虚拟机栈(栈帧中的局部变量区,也叫做局部变量表)中引用的对象。
  • 方法区中的类静态属性引用的对象。
  • 方法区中常量引用的对象。
  • 本地方法栈中JNI(Native方法)引用的对象。

下面给出一个GCRoots的例子,如下图,为GCRoots的引用链。
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由图可知,obj8、obj9、obj10都没有到GCRoots对象的引用链,即便obj9和obj10之间有引用链,他们还是会被当成垃圾处理,可以进行回收。

垃圾回收方法

1、Mark-Sweep标记-清除算法

这是最基础的算法,标记-清除算法就如同它的名字样,分为“标记”和“清除”两个阶段:首先标记出所有需要回收的对象,标记完成后统一回收所有被标记的对象。这种算法的不足主要体现在效率和空间,从效率的角度讲,标记和清除两个过程的效率都不高;从空间的角度讲,标记清除后会产生大量不连续的内存碎片, 内存碎片太多可能会导致以后程序运行过程中在需要分配较大对象时,无法找到足够的连续内存而不得不提前触发一次垃圾收集动作。标记-清除算法执行过程如图:

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这种方法优点:减少停顿时间,但是缺点:会造成内存碎片

2、Copying复制算法

复制算法是为了解决效率问题而出现的,它将可用的内存分为两块,每次只用其中一块,当这一块内存用完了,就将还存活着的对象复制到另外一块上面,然后再把已经使用过的内存空间一次性清理掉。这样每次只需要对整个半区进行内存回收,内存分配时也不需要考虑内存碎片等复杂情况,只需要移动指针,按照顺序分配即可。复制算法的执行过程如图:
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不过这种算法有个缺点,内存缩小为了原来的一半,这样代价太高了 。现在的商用虚拟机都采用这种算法来 回收新生代,不过研究表明1:1的比例非常不科学,因此 新生代的内存被划分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间,每次使用Eden和其中一块Survivor 。每次回收时,将Eden和Survivor中还存活着的对象一次性复制到另外一块Survivor空间上,最后清理掉Eden和刚才用过的Survivor空间。HotSpot虚拟机默认Eden区和Survivor区的比例为8:1,意思是每次新生代中可用内存空间为整个新生代容量的90%。当然,我们没有办法保证每次回收都只有不多于10%的对象存活,当Survivor空间不够用时,需要依赖老年代进行分配担保(Handle Promotion)。

3、Mark-Compact标记-整理算法

复制算法在对象存活率较高的场景下要进行大量的复制操作,效率很低。万一对象100%存活,那么需要有额外的空间进行分配担保。老年代都是不易被回收的对象,对象存活率高,因此一般不能直接选用复制算法。根据老年代的特点,有人提出了另外一种标记-整理算法,过程与标记-清除算法一样,不过不是直接对可回收对象进行清理,而是让所有存活对象都向一端移动,然后直接清理掉边界以外的内存。标记-整理算法的工作过程如图:
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这种方法可以解决内存碎片问题,但是会增加停顿时间。

4、Generational Collection 分代收集

现代商用虚拟机基本都采用 分代收集算法来进行垃圾回收 。这种算法没什么特别的,无非是上面内容的结合罢了,根据对象的生命周期的不同将内存划分为几块,然后根据各块的特点采用最适当的收集算法。大批对象死去、少量对象存活的(新生代),使用复制算法,复制成本低;对象存活率高、没有额外空间进行分配担保的(老年代),采用标记-清理算法或者标记-整理算法
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上面可以看到堆分成两个个区域:

  • 新生代(Young Generation):用于存放新创建的对象,采用复制回收方法,如果在s0和s1之间复制一定次数后,转移到年老代中。这里的垃圾回收叫做minor GC;
  • 年老代(Old Generation):这些对象垃圾回收的频率较低,采用的标记整理方法,这里的垃圾回收叫做 major GC。

这里可以详细的说一下新生代复制回收的算法流程:

在新生代中,分为三个区:Eden,from survivor,to survior。

  • 当触发minor GC时,会先把Eden中存活的对象复制到to Survivor中;
  • 然后再看from survivor,如果次数达到年老代的标准,就复制到年老代中;如果没有达到则复制到to survivor中,如果to survivor满了,则复制到年老代中。
  • 然后调换from survivor 和 to survivor的名字,保证每次to survivor都是空的等待对象复制到那里的。

垃圾收集器

垃圾收集器就是上面讲的理论知识的具体实现了。不同虚拟机所提供的垃圾收集器可能会有很大差别,我们使用的是HotSpot,HotSpot这个虚拟机所包含的所有收集器如图:
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上图展示了7种作用于不同分代的收集器,如果两个收集器之间存在连线,那说明它们可以搭配使用。虚拟机所处的区域说明它是属于新生代收集器还是老年代收集器。多说一句,我们必须明确一个观点:没有最好的垃圾收集器,更加没有万能的收集器,只能选择对具体应用最合适的收集器。这也是HotSpot为什么要实现这么多收集器的原因。OK,下面一个一个看一下收集器。

1、Serial收集器

最基本、发展历史最久的收集器,这个收集器是一个 采用复制算法的单线程的收集器,单线程一方面意味着它只会使用一个CPU或一条线程去完成垃圾收集工作,另一方面也意味着它进行垃圾收集时必须暂停其他线程的所有工作,直到它收集结束为止。后者意味着,在用户不可见的情况下要把用户正常工作的线程全部停掉,这对很多应用是难以接受的。不过实际上到目前为止,Serial收集器依然是虚拟机运行在Client模式下的默认新生代收集器,因为它简单而高效。用户桌面应用场景中,分配给虚拟机管理的内存一般来说不会很大,收集几十兆甚至一两百兆的新生代停顿时间在几十毫秒最多一百毫秒,只要不是频繁发生,这点停顿是完全可以接受的。Serial收集器运行过程如下图所示:
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说明:1. 需要STW(Stop The World),停顿时间长。2. 简单高效,对于单个CPU环境而言,Serial收集器由于没有线程交互开销,可以获取最高的单线程收集效率。

2、ParNew收集器

ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本,除了使用多条线程进行垃圾收集外,其余行为和Serial收集器完全一样,包括使用的也是复制算法。ParNew收集器除了多线程以外和Serial收集器并没有太多创新的地方,但是它却是Server模式下的虚拟机首选的新生代收集器,其中有一个很重要的和性能无关的原因是,除了Serial收集器外,目前只有它能与CMS收集器配合工作(看图)。CMS收集器是一款几乎可以认为有划时代意义的垃圾收集器,因为它第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程基本上同时工作。ParNew收集器在单CPU的环境中绝对不会有比Serial收集器更好的效果,甚至由于线程交互的开销,该收集器在两个CPU的环境中都不能百分之百保证可以超越Serial收集器。当然,随着可用CPU数量的增加,它对于GC时系统资源的有效利用还是很有好处的。它默认开启的收集线程数与CPU数量相同,在CPU数量非常多的情况下,可以使用-XX:ParallelGCThreads参数来限制垃圾收集的线程数。ParNew收集器运行过程如下图所示:
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3、Parallel Scavenge收集器

Parallel Scavenge收集器也是一个新生代收集器,也是用复制算法的收集器,也是并行的多线程收集器,但是它的特点是它的关注点和其他收集器不同。介绍这个收集器主要还是介绍吞吐量的概念。CMS等收集器的关注点是尽可能缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间,而Parallel Scavenge收集器的目标则是打到一个可控制的吞吐量。所谓吞吐量的意思就是CPU用于运行用户代码时间与CPU总消耗时间的比值,即 吞吐量=运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间),虚拟机总运行100分钟,垃圾收集1分钟,那吞吐量就是99%。另外,Parallel Scavenge收集器是虚拟机运行在Server模式下的默认垃圾收集器

停顿时间短适合需要与用户交互的程序,良好的响应速度能提升用户体验;高吞吐量则可以高效率利用CPU时间,尽快完成运算任务,主要适合在后台运算而不需要太多交互的任务。

虚拟机提供了-XX:MaxGCPauseMillis和-XX:GCTimeRatio两个参数来精确控制最大垃圾收集停顿时间和吞吐量大小。不过不要以为前者越小越好,GC停顿时间的缩短是以牺牲吞吐量和新生代空间换取的。由于与吞吐量关系密切,Parallel Scavenge收集器也被称为“吞吐量优先收集器”。Parallel Scavenge收集器有一个-XX:+UseAdaptiveSizePolicy参数,这是一个开关参数,这个参数打开之后,就不需要手动指定新生代大小、Eden区和Survivor参数等细节参数了,虚拟机会根据当前系统的运行情况手机性能监控信息,动态调整这些参数以提供最合适的停顿时间或者最大的吞吐量。如果对于垃圾收集器运作原理不太了解,以至于在优化比较困难的时候,使用Parallel Scavenge收集器配合自适应调节策略,把内存管理的调优任务交给虚拟机去完成将是一个不错的选择

4、并发标记清除(Concurrent Mark Sweep Collector, CMS)收集器

CMS(Conrrurent Mark Sweep)收集器是以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。使用标记 – 清除算法,收集过程分为如下四步:
(1)初始标记,标记GCRoots能直接关联到的对象,时间很短。

(2)并发标记,进行GCRoots Tracing(可达性分析)过程,时间很长。

(3)重新标记,修正并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录,时间较长。

(4)并发清除,回收内存空间,时间很长。

其中,并发标记与并发清除两个阶段耗时最长,但是可以与用户线程并发执行。运行过程如下图所示:
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