JVM内存模型及垃圾收集策略解析

JVM内存模型及垃圾收集策略解析(1)2010-02-2208:58狂放不羁JavaEye字号：T|T垃圾收集器策略从20世纪60年代就已经流行起来了，相比于其他编程语言，Java语言是目前使用最多的依赖于垃圾收集器的语言。AD：WOT2015互联网运维与开发者大会热销抢票JVM内存模型是Java的核心技术之一，之前51CTO曾为大家介绍过JVM分代垃圾回收策略的基础概念，现在很多编程语言都引入了类似JavaJVM的内存模型和垃圾收集器的机制，下面我们将主要针对Java中的JVM内存模型及垃圾收集的具体策略进行综合的分析。一JVM内存模型1.1Java栈Java栈是与每一个线程关联的，JVM在创建每一个线程的时候，会分配一定的栈空间给线程。它主要用来存储线程执行过程中的局部变量，方法的返回值，以及方法调用上下文。栈空间随着线程的终止而释放。StackOverflowError：如果在线程执行的过程中，栈空间不够用，那么JVM就会抛出此异常，这种情况一般是死递归造成的。1.2堆Java中堆是由所有的线程共享的一块内存区域，堆用来保存各种JAVA对象，比如数组，线程对象等。1.2.1GenerationJVM堆一般又可以分为以下三部分：◆PermPerm代主要保存class,method,filed对象，这部门的空间一般不会溢出，除非一次性加载了很多的类，不过在涉及到热部署的应用服务器的时候，有时候会遇到java.lang.OutOfMemoryError:PermGenspace的错误，造成这个错误的很大原因就有可能是每次都重新部署，但是重新部署后，类的class没有被卸载掉，这样就造成了大量的class对象保存在了perm中，这种情况下，一般重新启动应用服务器可以解决问题。◆TenuredTenured区主要保存生命周期长的对象，一般是一些老的对象，当一些对象在Young复制转移一定的次数以后，对象就会被转移到Tenured区，一般如果系统中用了application级别的缓存，缓存中的对象往往会被转移到这一区间。◆YoungYoung区被划分为三部分，Eden区和两个大小严格相同的Survivor区，其中Survivor区间中，某一时刻只有其中一个是被使用的，另外一个留做垃圾收集时复制对象用，在Young区间变满的时候，minorGC就会将存活的对象移到空闲的Survivor区间中，根据JVM的策略，在经过几次垃圾收集后，任然存活于Survivor的对象将被移动到Tenured区间。1.2.2SizingtheGenerationsJVM提供了相应的参数来对内存大小进行配置。正如上面描述，JVM中堆被分为了3个大的区间，同时JVM也提供了一些选项对Young,Tenured的大小进行控制。◆TotalHeap-Xms：指定了JVM初始启动以后初始化内存-Xmx：指定JVM堆得最大内存，在JVM启动以后，会分配-Xmx参数指定大小的内存给JVM，但是不一定全部使用，JVM会根据-Xms参数来调节真正用于JVM的内存-Xmx-Xms之差就是三个Virtual空间的大小◆YoungGeneration-XX:NewRatio=8意味着tenured和young的比值8：1，这样eden+2*survivor=1/9堆内存-XX:SurvivorRatio=32意味着eden和一个survivor的比值是32：1，这样一个Survivor就占Young区的1/34.-Xmn参数设置了年轻代的大小◆PermGeneration-XX:PermSize=16M-XX:MaxPermSize=64MThreadStack-XX:Xss=128K1.3堆栈分离的好处呵呵，其它的先不说了，就来说说面向对象的设计吧，当然除了面向对象的设计带来的维护性，复用性和扩展性方面的好处外，我们看看面向对象如何巧妙的利用了堆栈分离。如果从JAVA内存模型的角度去理解面向对象的设计，我们就会发现对象它完美的表示了堆和栈，对象的数据放在堆中，而我们编写的那些方法一般都是运行在栈中，因此面向对象的设计是一种非常完美的设计方式，它完美的统一了数据存储和运行。二JAVA垃圾收集器2.1垃圾收集简史垃圾收集提供了内存管理的机制，使得应用程序不需要在关注内存如何释放，内存用完后，垃圾收集会进行收集，这样就减轻了因为人为的管理内存而造成的错误，比如在C++语言里，出现内存泄露时很常见的。Java语言是目前使用最多的依赖于垃圾收集器的语言，但是垃圾收集器策略从20世纪60年代就已经流行起来了，比如Smalltalk,Eiffel等编程语言也集成了垃圾收集器的机制。2.2常见的垃圾收集策略所有的垃圾收集算法都面临同一个问题，那就是找出应用程序不可到达的内存块，将其释放，这里面得不可到达主要是指应用程序已经没有内存块的引用了，而在JAVA中，某个对象对应用程序是可到达的是指：这个对象被根（根主要是指类的静态变量，或者活跃在所有线程栈的对象的引用）引用或者对象被另一个可到达的对象引用。2.2.1ReferenceCounting(引用计数）引用计数是最简单直接的一种方式，这种方式在每一个对象中增加一个引用的计数，这个计数代表当前程序有多少个引用引用了此对象，如果此对象的引用计数变为0，那么此对象就可以作为垃圾收集器的目标对象来收集。优点：简单，直接，不需要暂停整个应用缺点：1.需要编译器的配合，编译器要生成特殊的指令来进行引用计数的操作，比如每次将对象赋值给新的引用，或者者对象的引用超出了作用域等。2.不能处理循环引用的问题2.2.2跟踪收集器跟踪收集器首先要暂停整个应用程序，然后开始从根对象扫描整个堆，判断扫描的对象是否有对象引用，这里面有三个问题需要搞清楚：1．如果每次扫描整个堆，那么势必让GC的时间变长，从而影响了应用本身的执行。因此在JVM里面采用了分代收集，在新生代收集的时候minorgc只需要扫描新生代，而不需要扫描老生代。2．JVM采用了分代收集以后，minorgc只扫描新生代，但是minorgc怎么判断是否有老生代的对象引用了新生代的对象，JVM采用了卡片标记的策略，卡片标记将老生代分成了一块一块的，划分以后的每一个块就叫做一个卡片，JVM采用卡表维护了每一个块的状态，当JAVA程序运行的时候，如果发现老生代对象引用或者释放了新生代对象的引用，那么就JVM就将卡表的状态设置为脏状态，这样每次minorgc的时候就会只扫描被标记为脏状态的卡片，而不需要扫描整个堆。具体如下图：3．GC在收集一个对象的时候会判断是否有引用指向对象，在JAVA中的引用主要有四种：Strongreference,Softreference,Weakreference,Phantomreference.◆StrongReference强引用是JAVA中默认采用的一种方式，我们平时创建的引用都属于强引用。如果一个对象没有强引用，那么对象就会被回收。1.publicvoidtestStrongReference(){2.Objectreferent=newObject();3.ObjectstrongReference=referent;4.referent=null;5.System.gc();6.assertNotNull(strongReference);7.}◆SoftReference软引用的对象在GC的时候不会被回收，只有当内存不够用的时候才会真正的回收，因此软引用适合缓存的场合，这样使得缓存中的对象可以尽量的再内存中待长久一点。1.PublicvoidtestSoftReference(){2.Stringstr=test;3.SoftReferenceStringsoftreference=newSoftReferenceString(str);4.str=null;5.System.gc();6.assertNotNull(softreference.get());7.}◆Weakreference弱引用有利于对象更快的被回收，假如一个对象没有强引用只有弱引用，那么在GC后，这个对象肯定会被回收。1.PublicvoidtestWeakReference(){2.Stringstr=test;3.WeakReferenceStringweakReference=newWeakReferenceString(str);4.str=null;5.System.gc();6.assertNull(weakReference.get());7.}◆Phantomreference2.2.2.1Mark-SweepCollector(标记-清除收集器）标记清除收集器最早由Lisp的发明人于1960年提出，标记清除收集器停止所有的工作，从根扫描每个活跃的对象，然后标记扫描过的对象，标记完成以后，清除那些没有被标记的对象。优点：1解决循环引用的问题2不需要编译器的配合，从而就不执行额外的指令缺点：1．每个活跃的对象都要进行扫描，收集暂停的时间比较长。2.2.2.2CopyingCollector(复制收集器）复制收集器将内存分为两块一样大小空间，某一个时刻，只有一个空间处于活跃的状态，当活跃的空间满的时候，GC就会将活跃的对象复制到未使用的空间中去，原来不活跃的空间就变为了活跃的空间。复制收集器具体过程可以参考下图：优点：1只扫描可以到达的对象，不需要扫描所有的对象，从而减少了应用暂停的时间缺点：1．需要额外的空间消耗，某一个时刻，总是有一块内存处于未使用状态2．复制对象需要一定的开销2.2.2.3Mark-CompactCollector(标记-整理收集器）标记整理收集器汲取了标记清除和复制收集器的优点，它分两个阶段执行，在第一个阶段，首先扫描所有活跃的对象，并标记所有活跃的对象，第二个阶段首先清除未标记的对象，然后将活跃的的对象复制到堆得底部。标记整理收集器的过程示意图请参考下图：Mark-compact策略极大的减少了内存碎片，并且不需要像CopyCollector一样需要两倍的空间。2.3JVM的垃圾收集策略GC的执行时要耗费一定的CPU资源和时间的，因此在JDK1.2以后，JVM引入了分代收集的策略，其中对新生代采用Mark-Compact策略，而对老生代采用了“Mark-Sweep的策略。其中新生代的垃圾收集器命名为“minorgc”，老生代的GC命名为FullGc或者MajorGC.其中用System.gc()强制执行的是FullGc.2.3.1SerialCollectorSerialCollector是指任何时刻都只有一个线程进行垃圾收集，这种策略有一个名字“stopthewholeworld,它需要停止整个应用的执行。这种类型的收集器适合于单CPU的机器。SerialCopyingCollector此种GC用-XX:UseSerialGC选项配置，它只用于新生代对象的收集。1.5.0以后。-XX:MaxTenuringThreshold来设置对象复制的次数。当eden空间不够的时候，GC会将eden的活跃对象和一个名叫Fromsurvivor空间中尚不够资格放入Old代的对象复制到另外一个名字叫ToSurvivor的空间。而此参数就是用来说明到底Fromsurvivor中的哪些对象不够资格，假如这个参数设置为31，那么也就是说只有对象复制31次以后才算是有资格的对象。这里需要注意几个个问题：◆FromSurvivor和Tosurvivor的角色是不断的变化的，同一时间只有一块空间处于使用状态，这个空间就叫做FromSurvivor区，当复制一次后角色就发生了变化。◆如果复制的过程中发现Tosurvivor空间已经满了，那么就直接复制到oldgeneration.◆比较大的对象也会直接复制到Oldgeneration,在开发中，我们应该尽量避免这种情况的发生。SerialMark-CompactCollector串行的标记-整理收集器是JD