1.概述
- 一个JVM实例只存在一个堆内存,堆也是Java内存管理的核心区域
- Java堆区在JVM启动的时候即被创建,其空间大小也就确认了。堆内存的大小是可调节的
- 《Java虚拟机规范》规定,堆可以处于物理上不连续的内存空间中,但在逻辑上它应该被视为连续的
- 所有的线程共享Java堆,在这里还可以划分线程私有的缓冲区(TLAB)
- “几乎”所有的对象实例都在这里分配内存
- 数组和对象可能永远不会存储在栈上,因为栈帧中保存引用,引用指向对象或者数组在堆中的位置
- 方法结束后,堆中的对象不会马上被移除,仅仅在垃圾收集的时候才会被移除。
- 堆是GC执行垃圾回收的重点区域
1.2 配置jvm及查看jvm进程
- 代码
public class HeapDemo {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("start...");
try {
Thread.sleep(1000000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("end...");
}
}
- 运行时,设置-Xms10m -Xmx10m
- 以看到HeapDemo配置-Xms10m, 分配的10m被分配给了新生代3m和老年代7m
1.3 细分堆内部结构
- JDK 7以前: 新生区+养老区+永久区
- Young Generation Space:又被分为Eden区和Survior区 Young/New
- Tenure generation Space: Old/Tenure
- Permanent Space: Perm
- JDK 8以后: 新生区+养老区+元空间
- Young Generation Space:又被分为Eden区和Survior区 Young/New
- Tenure generation Space: Old/Tenure
- Meta Space: Meta
2 设置堆内存大小与OOM
- Java堆区用于存储java对象实例,堆的大小在jvm启动时就已经设定好了,可以通过 "-Xmx"和 "-Xms"来进行设置
- -Xms 用于表示堆的起始内存,等价于 -XX:InitialHeapSize
- -Xmx 用于设置堆的最大内存,等价于 -XX:MaxHeapSize
- -X 是jvm的运行参数 ms 是memory start
- 一旦堆区中的内存大小超过 -Xmx所指定的最大内存时,将会抛出OOM异常
- 通常会将-Xms和-Xmx两个参数配置相同的值,其目的就是为了能够在java垃圾回收机制清理完堆区后不需要重新分隔计算堆区的大小,从而提高性能
- 默认情况下
初始内存大小:物理内存大小/64;
最大内存大小:物理内存大小/4 - 查看设置的参数:
- 方式一: 终端输入jps , 然后 jstat -gc 进程id
- 方式二:(控制台打印)添加 -XX:+PrintGCDetails
2.1 查看堆内存大小
每个Java应用程序都有一个Runtime类实例,它允许应用程序与运行应用程序的环境进行交互。可以从getRuntime方法获取当前运行时
getRuntime(): 此方法返回与当前Java应用程序关联的实例或Runtime对象
public class HeapSpaceInitial {
public static void main(String[] args) {
//返回Java虚拟机中的堆内存总量
long initialMemory = Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024 / 1024;
//返回Java虚拟机试图使用的最大堆内存量
long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory() / 1024 / 1024;
System.out.println("-Xms : " + initialMemory + "M");//-Xms : 245M
System.out.println("-Xmx : " + maxMemory + "M");//-Xmx : 3641M
System.out.println("系统内存大小为:" + initialMemory * 64.0 / 1024 + "G");//系统内存大小为:15.3125G
System.out.println("系统内存大小为:" + maxMemory * 4.0 / 1024 + "G");//系统内存大小为:14.22265625G
try {
Thread.sleep(1000000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
2.2 堆大小分析
2.3 OOM
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
/**
* -Xms600m -Xmx600m
*/
public class OOMTest {
public static void main(String[] args) {
ArrayList<Picture> list = new ArrayList<>();
while(true){
try {
Thread.sleep(20);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
list.add(new Picture(new Random().nextInt(1024 * 1024)));
}
}
}
class Picture{
private byte[] pixels;
public Picture(int length) {
this.pixels = new byte[length];
}
}
3 年轻代和老年代
- 存储在JVM中的java对象可以被划分为两类:
- 一类是生命周期较短的瞬时对象,这类对象的创建和消亡都非常迅速
- 另外一类对象时生命周期非常长,在某些情况下还能与JVM的生命周期保持一致
- Java堆区进一步细分可以分为年轻代(YoungGen)和老年代(OldGen)
- 其中年轻代可以分为Eden空间、Survivor0空间和Survivor1空间(有时也叫frmo区,to区)
- 配置新生代与老年代在堆结构的占比
- 默认-XX:NewRatio=2,表示新生代占1,老年代占2,新生代占整个堆的1/3
- 可以修改-XX:NewRatio=4,表示新生代占1,老年代占4,新生代占整个堆的1/5
- 在hotSpot中,Eden空间和另外两个Survivor空间缺省所占的比例是8:1:1(测试的时候是6:1:1),开发人员可以通过选项 -XX:SurvivorRatio 调整空间比例,如-XX:SurvivorRatio=8
- 几乎所有的Java对象都是在Eden区被new出来的
- 绝大部分的Java对象都销毁在新生代了(IBM公司的专门研究表明,新生代80%的对象都是“朝生夕死”的)
- 可以使用选项-Xmn设置新生代最大内存大小(这个参数一般使用默认值就好了)
/**
* -Xms600m -Xmx600m
*
* -XX:NewRatio : 设置新生代与老年代的比例。默认值是2.
* -XX:SurvivorRatio :设置新生代中Eden区与Survivor区的比例。默认值是8
* -XX:-UseAdaptiveSizePolicy :关闭自适应的内存分配策略 '-'关闭,'+'打开 (暂时用不到)
* -Xmn:设置新生代的空间的大小。 (一般不设置)
*
*/
public class EdenSurvivorTest {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("我只是来打个酱油~");
try {
Thread.sleep(1000000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
4 图解对象分配过程
4.1 概述
为新对象分配内存是件非常严谨和复杂的任务,JVM的设计者们不仅需要考虑内存如何分配、在哪里分配的问题,并且由于内存分配算法与内存回收算法密切相关,所以还需要考虑GC执行完内存回收后是否会在内存空间中产生内存碎片。
- 1.new的对象先放Eden区。此区有大小限制。
- 2.当创建新对象,Eden空间填满时,会触发Minor GC,将Eden不再被其他对象引用的对象进行销毁。再加载新的对象放到Eden区
- 3.然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存者0区
-
- 如果再次触发垃圾回收,此时上次幸存下来的放到幸存者0区的,如果没有回收,就会放到幸存者1区
- 5.如果再次经历垃圾回收,此时会重新放回幸存者0区,接着再去幸存者1区
- 6.默认超过15次后去养老区,可以设置次数,默认是15次。可以设置参数:-XX:MaxTenuringThreshold=进行设置
- 7.在养老区,相对悠闲。当老年区内存不足时,再次触发GC:Major GC,进行养老区的内存清理
总结
- 针对幸存者s0,s1区:复制之后有交换,谁空谁是to
- 关于垃圾回收:频繁在新生区收集,很少在养老区收集,几乎不再永久区/元空间收集
4.2 对象分配的特殊情况
4.3 代码演示
public class HeapInstanceTest {
byte[] buffer = new byte[new Random().nextInt(1024 * 200)];
public static void main(String[] args) {
ArrayList<HeapInstanceTest> list = new ArrayList<HeapInstanceTest>();
while (true) {
list.add(new HeapInstanceTest());
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
5 Minor GC、Major GC、Full GC
JVM在进行GC时,并非每次都针对上面三个内存区域(新生代、老年代、方法区)一起回收的,大部分时候回收都是指新生代
针对hotSpot VM的实现,它里面的GC按照回收区域又分为两大种类型:一种是部分收集(Partial GC),一种是整堆收集(Full GC)
- 部分收集:不是完整收集整个Java堆的垃圾收集。其中又分为:
- 新生代收集(Minor GC/Young GC):只是新生代的垃圾收集
- 老年代收集(Major GC/Old GC):只是老年代的垃圾收集
- 目前只有CMS GC会单独收集老年代的行为
- 很多时候MajorGC与FullGC混淆使用,具体分辨是老年代回收还是整堆回收
- 混合收集(Mixed GC):收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集
- 目前,之后G1 GC会有这种行为
- 整堆收集(Full GC):收集整个java堆和方法区的垃圾收集
5.1 年轻代GC(Minor GC)触发机制
- 当年轻代空间不足时,就会触发Minor GC,这里的年轻代满指的是Eden代满,Survivor满不会引发GC.(每次Minor GC会清理年轻代的内存,Survivor是被动GC,不会主动GC)
- 因为Java对象大多朝生夕灭,所以MinorGC非常频繁
- Minor GC 会引发STW(Stop the World),暂停其他用户的线程,等垃圾回收结束,用户线程才恢复运行
5.2 老年代GC(Major GC/Full GC)触发机制
- 指发生在老年代的GC,对象从老年代消失时,Major GC 或者 Full GC 发生了
- 出现了Major GC,经常会伴随至少一次的Minor GC(不是绝对的,在Parallel Scavenge 收集器的收集策略里就有直接进行Major GC的策略选择过程)
- 也就是老年代空间不足时,会先尝试触发Minor GC。如果之后空间还不足,则触发Major GC
- Major GC速度一般会比Minor GC慢10倍以上,STW时间更长
- 如果Major GC后,内存还不足,就报OOM了
5.3 Full GC触发机制
- 调用System.gc()时,系统建议执行Full GC,但是不必然执行
- 老年代空间不足
- 方法区空间不足
- 通过MinorGC后进入老年代的平均大小,大于老年代的可用内存
- 由Eden区,Survivor S0(from)区向S1(to)区复制时,对象大小由于To Space可用内存,则把该对象转存到老年代,且老年代的可用内存小于该对象大小
- 由Eden区,Survivor 0区向Survivor 1区复制时,对象的大小大于ToSpace可用内存,则把改对象转存到老年代,且老年代的可用内存小于该对象的大小
- FullGC是开发或调优中尽量要避免的,这样暂停时间会短一些
5.4 代码演示 Young GC ->Full GC -> OOM
/** 测试GC分代回收
* 测试MinorGC 、 MajorGC、FullGC
* -Xms9m -Xmx9m -XX:+PrintGCDetails
*/
public class GCTest {
public static void main(String[] args) {
int i = 0;
try {
List<String> list = new ArrayList<>();
String a = "testGC";
while (true) {
list.add(a);
a = a + a;
i++;
}
} catch (Throwable t) {
t.printStackTrace();
System.out.println("遍历次数为:" + i);
}
}
}
6 堆空间分代思想
为什么要把Java堆分代?不分代就不能正常工作了么
- 经研究,不同对象的生命周期不同。70%-99%的对象都是临时对象
- 新生代:有Eden、Survivor构成(s0,s1 又称为from to),to总为空
- 老年代:存放新生代中经历多次依然存活的对象
- 其实不分代完全可以,分代的唯一理由就是优化GC性能。如果没有分代,那所有的对象都在一块,就如同把一个学校的人都关在一个教室。GC的时候要找到哪些对象没用,这样就会对堆的所有区域进行扫描,而很多对象都是朝生夕死的,如果分代的话,把新创建的对象放到某一地方,当GC的时候先把这块存储“朝生夕死”对象的区域进行回收,这样就会腾出很大的空间出来。
7 内存分配策略
- 如果对象在Eden出生并经过第一次Minor GC后依然存活,并且能被Survivor容纳的话,将被移动到Survivor空间中,把那个将对象年龄设为1.对象在Survivor区中每熬过一次MinorGC,年龄就增加一岁,当它的年龄增加到一定程度(默认15岁,其实每个JVM、每个GC都有所不同)时,就会被晋升到老年代中
- 对象晋升老年代的年龄阈值,可以通过选项 -XX:MaxTenuringThreshold来设置
- 针对不同年龄段的对象分配原则如下:
- 优先分配到Eden
- 大对象直接分配到老年代(尽量避免程序中出现过多的大对象)
- 长期存活的对象分配到老年代
- 动态对象年龄判断
- 如果Survivor区中相同年龄的所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半,年龄大于或等于该年龄的对象可以直接进入到老年代。无需等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄
- 空间分配担保
- -XX: HandlePromotionFailure
- 在发生Minor GC之前,虚拟机会检查老年代最大可用的连续空间,是否大于新生代所有对象的总空间
7.1 代码演示
/** 测试:大对象直接进入老年代
* -Xms60m -Xmx60m -XX:NewRatio=2 -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+PrintGCDetails
*/
public class YoungOldAreaTest {
// 新生代 20m ,Eden 16m, s0 2m, s1 2m
// 老年代 40m
public static void main(String[] args) {
//Eden 区无法存放buffer 晋升老年代
byte[] buffer = new byte[1024 * 1024 * 20];//20m
}
}
8 为对象分配内存:TLAB(线程私有缓存区域)
8.1 为什么有TLAB(Thread Local Allocation Buffer)
- 堆区是线程共享区域,任何线程都可以访问到堆区中的共享数据
- 由于对象实例的创建在JVM中非常频繁,因此在并发环境下从堆区中划分内存空间是线程不安全的
- 为避免多个线程操作同一地址,需要使用加锁等机制,进而影响分配速度
8.2 什么是TLAB
- 从内存模型而不是垃圾收集的角度,对Eden区域继续进行划分,JVM为每个线程分配了一个私有缓存区域,它包含在Eden空间内
- 多线程同时分配内存时,使用TLAB可以避免一系列的非线程安全问题,同时还能够提升内存分配的吞吐量,因此我们可以将这种内存分配方式称之为快速分配策略
- 所有OpenJDK衍生出来的JVM都提供了TLAB的设计
8.3 说明
- 尽管不是所有的对象实例都能够在TLAB中成功分配内存,但是JVM确实是将TLAB作为内存分配的首选
- 开发人员通过-XX:UseTLAB设置是否开启TLAB空间
- 默认情况下,TLAB空间内存非常小,仅占有整个Eden空间的1%,通过-XX:TLABWasteTargetPercent设置TLAB空间所占用Eden空间的百分比大小
- 一旦对象在TLAB空间分配内存失败,JVM就会尝试通过使用加锁机制确保数据操作的原子性,从而直接在Eden空间中分配内存
终端输入 jsp,查看TLABArgsTest进程id jinfo -flag UseTLAB 64566(进程id)
8.4 TLAB对象分配过程
9 小结堆空间的参数设置
- -XX:PrintFlagsInitial: 查看所有参数的默认初始值
- -XX:PrintFlagsFinal:查看所有的参数的最终值(可能会存在修改,不再是初始值)
- 具体查看某个参数的指令:
- jps:查看当前运行中的进程
- jinfo -flag SurvivorRatio 进程id: 查看新生代中Eden和S0/S1空间的比例
- -Xms: 初始堆空间内存(默认为物理内存的1/64)
- -Xmx: 最大堆空间内存(默认为物理内存的1/4)
- -Xmn: 设置新生代大小(初始值及最大值)
- -XX:NewRatio: 配置新生代与老年代在堆结构的占比
- -XX:SurvivorRatio:设置新生代中Eden和S0/S1空间的比例
- -XX:MaxTenuringThreshold:设置新生代垃圾的最大年龄(默认15)
- -XX:+PrintGCDetails:输出详细的GC处理日志
- 打印gc简要信息:
- ① -XX:+PrintGC
- ② -verbose:gc
- -XX:HandlePromotionFailure:是否设置空间分配担保
10 堆是分配对象的唯一选择吗
- 随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟,栈上分配、标量替换优化技术,将会导致一些微秒变化,所有对象分配到堆上渐渐变得不那么绝对了
- 有一种特殊情况,如果经过逃逸分析后发现,一个对象并没有逃逸出方法的话,那么就可能被优化成栈上分配,这样无需堆上分配,也不需要垃圾回收了,也是最常见的堆外存储技术
- TaoBaoVM,其中创新的GCIH(GC invisible heap)技术实现了off-heap,实现了将生命周期较长的Java对象从heap中移动heap外,并且GC不能管理GCIH内部的Java对象,以此达到降低GC的回收频率和提升GC的回收效率的目的
10.1 逃逸分析
- 逃逸分析的基本行为就是分析对象动态作用域
- 当一个对象在方法中定义后,对象只在方法内部使用,则认为没有发生逃逸
- 当一个对象在方法中被定义后,它被外部方法引用,则认为发生逃逸,例如作为调用参数传递到其他地方中
- 快速的判断是否发生了逃逸分析,就看new的对象实体是否有可能在方法外被调用
10.2 逃逸分析代码分析
/**
* 逃逸分析
*
* 如何快速的判断是否发生了逃逸分析,就看new的对象实体是否有可能在方法外被调用。
*/
public class EscapeAnalysis {
public EscapeAnalysis obj;
/*
方法返回EscapeAnalysis对象,发生逃逸
*/
public EscapeAnalysis getInstance(){
return obj == null? new EscapeAnalysis() : obj;
}
/*
为成员属性赋值,发生逃逸
*/
public void setObj(){
this.obj = new EscapeAnalysis();
}
//思考:如果当前的obj引用声明为static的?仍然会发生逃逸。
/*
对象的作用域仅在当前方法中有效,没有发生逃逸
*/
public void useEscapeAnalysis(){
EscapeAnalysis e = new EscapeAnalysis();
}
/*
引用成员变量的值,发生逃逸
*/
public void useEscapeAnalysis1(){
EscapeAnalysis e = getInstance();
//getInstance().xxx()同样会发生逃逸
}
}
10.2.1 参数设置
- 在JDK 6u23版本之后,HotSpot中默认就已经开启了逃逸分析
- 如果使用了较早的版本,开发人员可以通过
- -XX:DoEscapeAnalysis 显式开启逃逸分析
- -XX:+PrintEscapeAnalysis查看逃逸分析的筛选结果
开发中能使用局部变量的,就不要使用在方法外定义
10.2.2 代码优化
- 1.栈上分配
- 将堆分配转为栈分配,如果一个对象在子程序中被分配,要使指向该对象的指针永远不会逃逸,对象可能是栈分配的候选,而不是堆分配
- JIT编译器在编译期间根据逃逸分析的结果,发现如果一个对象并没有逃逸出方法的话,就可能被优化成栈上分配。分配完成之后,继续在调用栈内执行,最后线程结束,栈空间被回收,局部变量对象也被回收。这样就无须垃圾回收了
/**
* 栈上分配测试
* -Xmx1G -Xms1G -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails
*/
public class StackAllocation {
public static void main(String[] args) {
long start = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
alloc();
}
// 查看执行时间
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("花费的时间为: " + (end - start) + " ms");
// 为了方便查看堆内存中对象个数,线程sleep
try {
Thread.sleep(1000000);
} catch (InterruptedException e1) {
e1.printStackTrace();
}
}
private static void alloc() {
User user = new User();//未发生逃逸
}
static class User {
}
}
- 2.同步省略
- 如果一个对象被发现只能从一个线程被访问到,对于这个对象的操作可以不考虑同步
- 在动态编译同步块的时候,JIT编译器可以借助逃逸分析来判断同步块所使用的锁对象是否只能够被一个线程访问而没有被发布到其他线程。如果没有,那么JIT编译器在编译这个同步块的时候就会取消对这部分代码的同步。这样就能大大提高并发性和性能。这个取消同步的过程就叫同步省略,也叫锁消除
/**
* 同步省略说明
*/
public class SynchronizedTest {
public void f() {
Object hollis = new Object();
synchronized(hollis) {
System.out.println(hollis);
}
}
//代码中对hollis这个对象进行加锁,但是hollis对象的生命周期只在f()方法中
//并不会被其他线程所访问控制,所以在JIT编译阶段就会被优化掉。
//优化为 ↓
public void f2() {
Object hollis = new Object();
System.out.println(hollis);
}
}
- 3.分离对象或标量替换
- 有的对象可能不需要作为一个连续的内存结构存在,也可以被访问到,那么对象的部分(或全部)可以不存储在内存。而是存储在CPU寄存器中
- 标量是指一个无法再分解的更小的数据的数据。Java中原始数据类型就是标量
- 可以分解的数据叫聚合量,Java中的对象就是聚合量,因为他可以分解成其他聚合量和标量
- 标量替换参数:-XX:EliminateAllocations,默认打开
以上代码,经过标量替换后,就会变成public class ScalarTest { public static void main(String[] args) { alloc(); } public static void alloc(){ Point point = new Point(1,2); } } class Point{ private int x; private int y; public Point(int x,int y){ this.x = x; this.y = y; } }
public static void alloc(){ int x = 1; int y = 2; }
可以看到,Point这个聚合量经过逃逸分析后,发现他并没有逃逸,就被替换成两个标量了。那么标量替换有什么好处呢?就是可以大大减少堆内存的占用。因为一旦不需要创建对象了,那么就不再需要分配堆内存了
标量替换为栈上分配提供了很好的基础
10.2.3 逃逸分析小结
- 关于逃逸分析的论文在1999年就已经发表了,但直到JDK1.6才有实现,而且这项技术到如今也并不是十分成熟的
- 其根本原因就是无法保证逃逸分析的性能消耗一定能高于他的消耗。虽然经过逃逸分析可以做标量替换、栈上分配、和锁消除。但是逃逸分析自身也是需要进行一系列复杂的分析的,这其实也是一个相对耗时的过程
- 一个极端的例子,就是经过逃逸分析之后,发现没有一个对象是不逃逸的。那这个逃逸分析的过程就白白浪费掉了
- 虽然这项技术并不十分成熟,但是它也是即时编译器优化技术中一个十分重要的手段
11 堆小结
- 年轻代是对象的诞生、生长、消亡的区域,一个对象可以在这里产生、应用、最后被垃圾回收器收集、结束生命
- 老年代防止长生命周期对象,通常都是从Survivor区域筛选拷贝过来的Java对象。当然,也有特殊情况,我们知道普通的对象会被分配在TLAB上,如果对象较大,JVM会试图直接分配在Eden其他位置上;如果对象太大,完全无法在新生代找到足够长的连续空闲空间,JVM就会直接分配到老年代
- 当GC只发生在年轻代中,回收年轻对象的行为被称为MinorGC。当GC发生在老年代时则被称为MajorGC或者FullGC。一般的,MinorGC的发生频率要比MajorGC高很多,即老年代中垃圾回收发生的频率大大低于年轻代
12 对象内存分配的两种方法
为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来
- 指针碰撞(Serial、ParNew等带Compact过程的收集器)
假设Java堆中内存是绝对规整的,所有用过的内存都放在一边,空闲的内存放在另一边,中间放着一个指针作为分界点的指示器,那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离,这种分配方式称为“指针碰撞”(Bump the Pointer)
- 空闲列表(CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器)
如果Java堆中的内存并不是规整的,已使用的内存和空闲的内存相互交错,那就没有办法简单地进行指针碰撞了,虚拟机就必须维护一个列表,记录上哪些内存块是可用的,在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例,并更新列表上的记录,这种分配方式称为“空闲列表”(Free List)
JVM完整目录
1. jvm概述
2.类加载机制
3.运行时数据区[PC寄存器、虚拟机栈、本地方法栈]
4.运行时数据区[堆]
5.运行时数据区[方法区]
6.暂缺
7. 运行时数据区[对象的实例化内存布局与访问定位、直接内存]
8.执行引擎(Execution Engine)
9.字符串常量池
10.垃圾回收[概述、相关算法]
11.垃圾回收[垃圾回收相关概念]
12.垃圾回收[垃圾回收器]
13.常见的OOM
14. JDK命令行工具