JVM內(nèi)存模型及垃圾收集策略解析

1、 JVM內(nèi)存模型及垃圾收集策略解析(1) 2010-02-22 08:58 狂放不羈 JavaEye 我要評論(0)垃圾收集器策略從20世紀(jì)60年代就已經(jīng)流行起來了，相比于其他編程語言，Java語言是目前使用最多的依賴于垃圾收集器的語言。JVM內(nèi)存模型是Java的核心技術(shù)之一，之前51CTO曾為大家介紹過JVM分代垃圾回收策略的基礎(chǔ)概念，現(xiàn)在很多編程語言都引入了類似Java JVM的內(nèi)存模型和垃圾收集器的機制，下面我們將主要針對Java中的JVM內(nèi)存模型及垃圾收集的具體策略進(jìn)行綜合的分析。一 JVM內(nèi)存模型1.1 Java棧Java棧是與每一個線程關(guān)聯(lián)的，JVM在創(chuàng)建每一個線程的時候，會分配一

2、定的棧空間給線程。它主要用來存儲線程執(zhí)行過程中的局部變量，方法的返回值，以及方法調(diào)用上下文。?？臻g隨著線程的終止而釋放。StackOverflowError：如果在線程執(zhí)行的過程中，?？臻g不夠用，那么JVM就會拋出此異常，這種情況一般是死遞歸造成的。1.2 堆Java中堆是由所有的線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，堆用來保存各種JAVA對象，比如數(shù)組，線程對象等。1.2.1 GenerationJVM堆一般又可以分為以下三部分： PermPerm代主要保存class,method,filed對象，這部門的空間一般不會溢出，除非一次性加載了很多的類，不過在涉及到熱部署的應(yīng)用服務(wù)器的時候，有時候會遇到j(luò)av

3、a.lang.OutOfMemoryError : PermGen space 的錯誤，造成這個錯誤的很大原因就有可能是每次都重新部署，但是重新部署后，類的class沒有被卸載掉，這樣就造成了大量的class對象保存在了perm中，這種情況下，一般重新啟動應(yīng)用服務(wù)器可以解決問題。 TenuredTenured區(qū)主要保存生命周期長的對象，一般是一些老的對象，當(dāng)一些對象在Young復(fù)制轉(zhuǎn)移一定的次數(shù)以后，對象就會被轉(zhuǎn)移到Tenured區(qū)，一般如果系統(tǒng)中用了application級別的緩存，緩存中的對象往往會被轉(zhuǎn)移到這一區(qū)間。 YoungYoung區(qū)被劃分為三部分，Eden區(qū)和兩個大小嚴(yán)格相同的Su

4、rvivor區(qū)，其中Survivor區(qū)間中，某一時刻只有其中一個是被使用的，另外一個留做垃圾收集時復(fù)制對象用，在Young區(qū)間變滿的時候，minor GC就會將存活的對象移到空閑的Survivor區(qū)間中，根據(jù)JVM的策略，在經(jīng)過幾次垃圾收集后，任然存活于Survivor的對象將被移動到Tenured區(qū)間。1.2.2 Sizing the GenerationsJVM提供了相應(yīng)的參數(shù)來對內(nèi)存大小進(jìn)行配置。正如上面描述，JVM中堆被分為了3個大的區(qū)間，同時JVM也提供了一些選項對Young,Tenured的大小進(jìn)行控制。 Total Heap-Xms ：指定了JVM初始啟動以后初始化內(nèi)存-Xmx：

5、指定JVM堆得最大內(nèi)存，在JVM啟動以后，會分配-Xmx參數(shù)指定大小的內(nèi)存給JVM，但是不一定全部使用，JVM會根據(jù)-Xms參數(shù)來調(diào)節(jié)真正用于JVM的內(nèi)存-Xmx -Xms之差就是三個Virtual空間的大小 Young Generation-XX:NewRatio=8意味著tenured 和 young的比值8：1，這樣eden+2*survivor=1/9堆內(nèi)存-XX:SurvivorRatio=32意味著eden和一個survivor的比值是32：1，這樣一個Survivor就占Young區(qū)的1/34.-Xmn 參數(shù)設(shè)置了年輕代的大小 Perm Generation-XX:PermSiz

6、e=16M -XX:MaxPermSize=64MThread Stack-XX:Xss=128K1.3 堆棧分離的好處呵呵，其它的先不說了，就來說說面向?qū)ο蟮脑O(shè)計吧，當(dāng)然除了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計帶來的維護(hù)性，復(fù)用性和擴展性方面的好處外，我們看看面向?qū)ο笕绾吻擅畹睦昧硕褩７蛛x。如果從JAVA內(nèi)存模型的角度去理解面向?qū)ο蟮脑O(shè)計，我們就會發(fā)現(xiàn)對象它完美的表示了堆和棧，對象的數(shù)據(jù)放在堆中，而我們編寫的那些方法一般都是運行在棧中，因此面向?qū)ο蟮脑O(shè)計是一種非常完美的設(shè)計方式，它完美的統(tǒng)一了數(shù)據(jù)存儲和運行。二 JAVA垃圾收集器2.1 垃圾收集簡史垃圾收集提供了內(nèi)存管理的機制，使得應(yīng)用程序不需要在關(guān)注內(nèi)存如何

7、釋放，內(nèi)存用完后，垃圾收集會進(jìn)行收集，這樣就減輕了因為人為的管理內(nèi)存而造成的錯誤，比如在C+語言里，出現(xiàn)內(nèi)存泄露時很常見的。Java語言是目前使用最多的依賴于垃圾收集器的語言，但是垃圾收集器策略從20世紀(jì)60年代就已經(jīng)流行起來了，比如Smalltalk,Eiffel等編程語言也集成了垃圾收集器的機制。2.2 常見的垃圾收集策略所有的垃圾收集算法都面臨同一個問題，那就是找出應(yīng)用程序不可到達(dá)的內(nèi)存塊，將其釋放，這里面得不可到達(dá)主要是指應(yīng)用程序已經(jīng)沒有內(nèi)存塊的引用了，而在JAVA中，某個對象對應(yīng)用程序是可到達(dá)的是指：這個對象被根（根主要是指類的靜態(tài)變量，或者活躍在所有線程棧的對象的引用）引用或者對象

8、被另一個可到達(dá)的對象引用。2.2.1 Reference Counting(引用計數(shù)）引用計數(shù)是最簡單直接的一種方式，這種方式在每一個對象中增加一個引用的計數(shù)，這個計數(shù)代表當(dāng)前程序有多少個引用引用了此對象，如果此對象的引用計數(shù)變?yōu)?，那么此對象就可以作為垃圾收集器的目標(biāo)對象來收集。優(yōu)點：簡單，直接，不需要暫停整個應(yīng)用缺點：1.需要編譯器的配合，編譯器要生成特殊的指令來進(jìn)行引用計數(shù)的操作，比如每次將對象賦值給新的引用，或者者對象的引用超出了作用域等。2.不能處理循環(huán)引用的問題2.2.2 跟蹤收集器跟蹤收集器首先要暫停整個應(yīng)用程序，然后開始從根對象掃描整個堆，判斷掃描的對象是否有對象引用，這里面有

9、三個問題需要搞清楚：1如果每次掃描整個堆，那么勢必讓GC的時間變長，從而影響了應(yīng)用本身的執(zhí)行。因此在JVM里面采用了分代收集，在新生代收集的時候minor gc只需要掃描新生代，而不需要掃描老生代。2JVM采用了分代收集以后，minor gc只掃描新生代，但是minor gc怎么判斷是否有老生代的對象引用了新生代的對象，JVM采用了卡片標(biāo)記的策略，卡片標(biāo)記將老生代分成了一塊一塊的，劃分以后的每一個塊就叫做一個卡片，JVM采用卡表維護(hù)了每一個塊的狀態(tài)，當(dāng)JAVA程序運行的時候，如果發(fā)現(xiàn)老生代對象引用或者釋放了新生代對象的引用，那么就JVM就將卡表的狀態(tài)設(shè)置為臟狀態(tài)，這樣每次minor gc的時候

10、就會只掃描被標(biāo)記為臟狀態(tài)的卡片，而不需要掃描整個堆。具體如下圖：3GC在收集一個對象的時候會判斷是否有引用指向?qū)ο?，在JAVA中的引用主要有四種：Strong reference,Soft reference,Weak reference,Phantom reference. Strong Reference強引用是JAVA中默認(rèn)采用的一種方式，我們平時創(chuàng)建的引用都屬于強引用。如果一個對象沒有強引用，那么對象就會被回收。1. publicvoidtestStrongReference() 2. Objectreferent=newObject(); 3. ObjectstrongReferen

11、ce=referent; 4. referent=null; 5. System.gc(); 6. assertNotNull(strongReference); 7. Soft Reference軟引用的對象在GC的時候不會被回收，只有當(dāng)內(nèi)存不夠用的時候才會真正的回收，因此軟引用適合緩存的場合，這樣使得緩存中的對象可以盡量的再內(nèi)存中待長久一點。8. PublicvoidtestSoftReference() 9. Stringstr=test; 10. SoftReferencesoftreference=newSoftReference(str); 11. str=null; 12. Sy

12、stem.gc(); 13. assertNotNull(softreference.get(); 14. Weak reference弱引用有利于對象更快的被回收，假如一個對象沒有強引用只有弱引用，那么在GC后，這個對象肯定會被回收。15. PublicvoidtestWeakReference() 16. Stringstr=test; 17. WeakReferenceweakReference=newWeakReference(str); 18. str=null; 19. System.gc(); 20. assertNull(weakReference.get(); 21. Pha

13、ntom reference Mark-Sweep Collector(標(biāo)記-清除收集器）標(biāo)記清除收集器最早由Lisp的發(fā)明人于1960年提出，標(biāo)記清除收集器停止所有的工作，從根掃描每個活躍的對象，然后標(biāo)記掃描過的對象，標(biāo)記完成以后，清除那些沒有被標(biāo)記的對象。優(yōu)點：1 解決循環(huán)引用的問題2 不需要編譯器的配合，從而就不執(zhí)行額外的指令缺點：1每個活躍的對象都要進(jìn)行掃描，收集暫停的時間比較長。 Copying Collector(復(fù)制收集器）復(fù)制收集器將內(nèi)存分為兩塊一樣大小空間，某一個時刻，只有一個空間處于活躍的狀態(tài)，當(dāng)活躍的空間滿的時候，GC就會將活躍的對象復(fù)制到未使

14、用的空間中去，原來不活躍的空間就變?yōu)榱嘶钴S的空間。復(fù)制收集器具體過程可以參考下圖：優(yōu)點：1 只掃描可以到達(dá)的對象，不需要掃描所有的對象，從而減少了應(yīng)用暫停的時間缺點：1需要額外的空間消耗，某一個時刻，總是有一塊內(nèi)存處于未使用狀態(tài)2復(fù)制對象需要一定的開銷 Mark-Compact Collector(標(biāo)記-整理收集器）標(biāo)記整理收集器汲取了標(biāo)記清除和復(fù)制收集器的優(yōu)點，它分兩個階段執(zhí)行，在第一個階段，首先掃描所有活躍的對象，并標(biāo)記所有活躍的對象，第二個階段首先清除未標(biāo)記的對象，然后將活躍的的對象復(fù)制到堆得底部。標(biāo)記整理收集器的過程示意圖請參考下圖：Mark-compact策略極大的減少

15、了內(nèi)存碎片，并且不需要像Copy Collector一樣需要兩倍的空間。2.3 JVM的垃圾收集策略GC的執(zhí)行時要耗費一定的CPU資源和時間的，因此在JDK1.2以后，JVM引入了分代收集的策略，其中對新生代采用Mark-Compact策略，而對老生代采用了“Mark-Sweep的策略。其中新生代的垃圾收集器命名為“minor gc”，老生代的GC命名為Full Gc 或者M(jìn)ajor GC.其中用System.gc()強制執(zhí)行的是Full Gc.2.3.1 Serial CollectorSerial Collector是指任何時刻都只有一個線程進(jìn)行垃圾收集，這種策略有一個名字“stop th

16、e whole world,它需要停止整個應(yīng)用的執(zhí)行。這種類型的收集器適合于單CPU的機器。Serial Copying Collector此種GC用-XX:UseSerialGC選項配置，它只用于新生代對象的收集。1.5.0以后。-XX:MaxTenuringThreshold來設(shè)置對象復(fù)制的次數(shù)。當(dāng)eden空間不夠的時候，GC會將eden的活躍對象和一個名叫From survivor空間中尚不夠資格放入Old代的對象復(fù)制到另外一個名字叫To Survivor的空間。而此參數(shù)就是用來說明到底From survivor中的哪些對象不夠資格，假如這個參數(shù)設(shè)置為31，那么也就是說只有對象復(fù)制31次

17、以后才算是有資格的對象。這里需要注意幾個個問題： From Survivor和To survivor的角色是不斷的變化的，同一時間只有一塊空間處于使用狀態(tài)，這個空間就叫做From Survivor區(qū)，當(dāng)復(fù)制一次后角色就發(fā)生了變化。 如果復(fù)制的過程中發(fā)現(xiàn)To survivor空間已經(jīng)滿了，那么就直接復(fù)制到old generation. 比較大的對象也會直接復(fù)制到Old generation,在開發(fā)中，我們應(yīng)該盡量避免這種情況的發(fā)生。Serial Mark-Compact Collector串行的標(biāo)記-整理收集器是JDK5 update6之前默認(rèn)的老生代的垃圾收集器，此收集使得內(nèi)存碎片最少化，但是

18、它需要暫停的時間比較長。2.3.2 Parallel CollectorParallel Collector主要是為了應(yīng)對多CPU，大數(shù)據(jù)量的環(huán)境。Parallel Collector又可以分為以下兩種：Parallel Copying Collector此種GC用-XX:UseParNewGC參數(shù)配置,它主要用于新生代的收集,此GC可以配合CMS一起使用。1.4.1以后Parallel Mark-Compact Collector，此種GC用-XX:UseParallelOldGC參數(shù)配置，此GC主要用于老生代對象的收集。1.6.0Parallel scavenging Collector此種GC用-XX:Us