深入理解Java虚拟机:堆详解
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- 每个线程:独立包括程序计数器、栈、本地栈
- 线程间共享:堆、堆外内存(永久代或元空间、代码缓存)
当我们通过前面的:类的加载-> 验证 -> 准备 -> 解析 -> 初始化 这几个阶段完成后,就会用到执行引擎对我们的类进行使用,同时执行引擎将会使用到我们运行时数据区。
内存是非常重要的系统资源,是硬盘和CPU的中间仓库及桥梁,承载着操作系统和应用程序的实时运行JVM内存布局规定了Java在运行过程中内存申请、分配、管理的策略,保证了JVM的高效稳定运行。不同的JVM对于内存的划分方式和管理机制存在着部分差异。
正文
我们通过磁盘或者网络IO得到的数据,都需要先加载到内存中,然后CPU从内存中获取数据进行读取,也就是说内存充当了CPU和磁盘之间的桥梁。
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线程
线程是一个程序里的运行单元。JVM允许一个应用有多个线程并行的执行。在Hotspot JVM里,每个线程都与操作系统的本地线程直接映射。
当一个Java线程准备好执行以后,此时一个操作系统的本地线程也同时创建。Java线程执行终止后,本地线程也会回收。
操作系统负责所有线程的安排调度到任何一个可用的CPU上。一旦本地线程初始化成功,它就会调用Java线程中的run()方法。
JVM系统线程:
- 虚拟机线程:需要JVM达到安全点才会出现。这些操作必须在不同的线程中发生的,原因是他们都需要JVM达到安全点,这样堆才不会变化。这种线程的执行类型包括stop-the-world的垃圾收集,线程栈收集,线程挂起以及偏向锁撤销。
- 周期任务线程:这种线程是时间周期事件的体现(比如中断),他们一般用于周期性操作的调度执行。
- GC线程:这种线程对在JVM里不同种类的垃圾收集行为提供了支持。
- 编译线程:这种线程在运行时会将字节码编译成到本地代码。
- 信号调度线程:这种线程接收信号并发送给JVM,在它内部通过调用适当的方法进行处理。
堆
堆针对一个JVM进程来说是唯一的,也就是一个进程只有一个JVM,但是进程包含多个线程,他们是共享同一堆空间的。
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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,这个引用指向对象或者数组在堆中的位置,在方法结束后,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。
堆内存细分
Java 7及之前堆内存逻辑上分为三部分:新生区+老年区+永久区
- Young Generation Space 新生区,又被划分为Eden区和Survivor区
- Tenure generation space 老年区
- Permanent Space 永久区
Java 8及之后堆内存逻辑上分为三部分:新生区+老年区+元空间
- Young Generation Space 新生区,又被划分为Eden区和Survivor区
- Tenure generation space 老年区
- Meta Space 元空间
Jdk1.6
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Jdk1.7
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Jdk1.8
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设置堆内存大小
- -Xms用于表示堆区的起始内存,等价于-XX:InitialHeapSize,默认物理电脑内存大小/64
- -Xmx则用于表示堆区的最大内存,等价于-XX:MaxHeapSize,默认物理电脑内存大小/4
通常会将-Xms和-Xmx两个参数配置相同的值,其目的是为了能够在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。
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OutOfMemoryError异常
年轻代与老年代
存储在JVM中的Java对象可以被划分为两类:
- 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。
- 生命周期非常长,在某些极端的情况下还能够与JVM的生命周期保持一致。
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- 默认-XX:NewRatio=2,表示新生代占1,老年代占2。
- Eden空间和另外两个survivor空间缺省所占的比例是8:1:1。
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- jinfo -flag NewRatio 进程号 可查看相关属性值
- jinfo -flag SurvivorRatio 进程号 可查看相关属性值
对象分配过程
为新对象分配内存是一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、在哪里分配等问题,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
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- new的对象先放伊甸园区。此区有大小限制。
- 当伊甸园的空间填满时,程序又需要创建对象,JVM的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收(MinorGC),将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁,再加载新的对象放到伊甸园区。
- 然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存者s0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s0区的,如果没有回收,就会放到幸存者s1区。
- 如果再次经历垃圾回收,此时会重新放回幸存者s0区,接着再去幸存者s1区。
- 啥时候能去养老区呢?可以设置次数。默认是15次 ,进行设置-Xx:MaxTenuringThreshold= N。
- 在养老区,相对悠闲。当养老区内存不足时,再次触发GC:Major GC,进行养老区的内存清理。
- 若养老区执行了Major GC之后,发现依然无法进行对象的保存,就会产生OOM异常。
- 针对幸存者s0,s1区的总结:复制之后又交换,谁空谁是to。
- 垃圾回收:频繁在新生区收集,很少在老年代收集,几乎不在永久代和元空间进行收集。
Minor GC,MajorGC、Full GC
JVM在进行GC时,并非每次都对上面三个内存区域一起回收的,大部分时候回收的都是指新生代。
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(FullGC)
- 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):只是老年代的圾收集。
混合收集(MixedGC):收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集。
- 整堆收集(Full GC):收集整个Java堆和方法区的垃圾收集。
- 目前,只有CMS GC会有单独收集老年代的行为,很多时候Major GC会和Full GC混淆使用,需要具体分辨是老年代回收还是整堆回收。
- 目前,只有G1 GC会有混合收集。
年轻代GC(Minor GC)触发机制
- 当年轻代空间不足时,就会触发MinorGC,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。)
- Minor GC会引发STW,暂停其它用户的线程,等垃圾回收结束,用户线程才恢复运行 。
老年代GC(Major GC / Full GC)触发机制
- 对象从老年代消失时,我们说Major GC或 Full GC发生了。
- 出现了Major Gc,经常会伴随至少一次的Minor GC。
- 如果Major GC后,内存还不足,就报OOM。
内存分配策略
如果对象在Eden出生并经过第一次Minor GC后仍然存活,并且能被Survivor容纳的话,将被移动到survivor空间中,并将对象年龄设为1。对象在survivor区中每熬过一次MinorGC,年龄就增加1岁,当它的年龄增加到一定程度(默认为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。
对不同年龄段的对象分配原则如下所示:
- 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老年代,无须等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄。
- 空间分配担保:-XX:HandlePromotionFailure
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TLAB
为什么有TLAB
- 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。
什么是TLAB
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- 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 。
尽管不是所有的对象实例都能够在TLAB中成功分配内存,但JVM确实是将TLAB作为内存分配的首选。
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堆空间的参数设置
-XX:+PrintFlagsInitial //查看所有的参数的默认初始值
-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)
-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 //设置新生代的大小。(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
-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:HandlePromotionFalilure://是否设置空间分配担保
堆是分配对象的唯一选择么?
随着JIT编译期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妙的变化,所有的对象都分配到堆上也渐渐变得不那么绝对了。
在Java虚拟机中,对象是在Java堆中分配内存的,这是一个普遍的常识。但是,有一种特殊情况,那就是如果经过逃逸分析(Escape Analysis)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。这样就无需在堆上分配内存,也无须进行垃圾回收了。这也是最常见的堆外存储技术。
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被定义后,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,它被外部方法所引用,则认为发生逃逸。例如作为调用参数传递到其他地方中。
public class EscapeAnalysis {
public EscapeAnalysis obj;
public EscapeAnalysis getInstance() {
return obj == null ? new EscapeAnalysis() : obj;
}
public void setObj() {
this.obj = new EscapeAnalysis();
}
public void useEscapeAnalysis() {
EscapeAnalysis e = new EscapeAnalysis();
}
public void useEscapeAnalysis2() {
EscapeAnalysis e = getInstance();
}
}
使用逃逸分析,编译器可以对代码做如下优化:
- 一、栈上分配:将堆分配转化为栈分配。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发生逃逸,对象可能是栈上分配的候选,而不是堆上分配。
- 二、同步省略:如果一个对象被发现只有一个线程被访问到,那么对于这个对象的操作可以不考虑同步。
- 三、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。