java内存管理初探

前不久为知笔记宣布收费,用不惯印象笔记和有道的我,便充了一年的会员,既然钱已经花了出去,就不能像以前一样,不懂得珍惜,刚好最近在重读《深入理解java虚拟机》,关于内存管理这块又多了一些收获,便记录下来,顺便整理成博客,还是毛主席教导的好:好记性不如烂笔头啊!
文中前部分简摘自周志华老师的 《深入理解java虚拟机》
,后部分为个人的一些验证和总结

java中的引用

相对于C++,Java语言非常好的一点就是不需要我们手动管理内存,因为有一个像妈妈一样的虚垃圾回收器,每天默默地替我们清扫着房间的垃圾,无怨无悔。基本上所有的java程序员都知道有这么个默默无闻的妈妈,可是你真的了解她吗?

上面提到垃圾回收器替我们清扫垃圾,那么重要的一点来了,什么是垃圾?在现实生活中,没有用的东西就是垃圾,会被丢进垃圾桶,运到处理厂,掩埋或是焚烧。其实在java的世界里也是一样,无用即为垃圾,不过这里的垃圾全都是:对象。

什么叫无用,即没有人要用,在java里,无用即代表没有被引用,java里面操控对象全都是通过引用来进行的,For Example:Object o=new Object(),这里我们就创建了一个Object对象,并用一个引用o来引用这个对象,这样我们就可以通过o来操作这个Obejct了。

java里一共有四种引用:

1.强引用

这就是我们上面写的Obejct o=new Object(),只要强引用还存在,对象就不会被回收。

2.软引用

SoftReference,只有将发生内存溢出时,才会进行回收。

3.弱引用

WeakReference,GC工作时,无论当前内存是否够用,一定会回收。

4.虚引用

PhantomReference, 有这个引用和没有一样,因为通过引用拿到的一定是null,和弱引用一样,GC工作时一定会被回收,唯一的作用就是监听对象被GC回收,可以用来做GC监听器,监听虚拟机的每一次GC。

内存回收

1.引用——计数法

即在对象头部增加一个计数器,每当对象被引用,内部的计数器就+1,当引用失效,计数器就-1。这样当垃圾回收时,就回收那些计数值为0的对象。

缺点:很难解决对象之间相互循环引用的问题。

2.标记——清除法

从堆栈和静态存储区出发,遍历所有引用,找出所有存活的对象。每当找到一个对象,就给它设置一个标记,这样它就不会被回收。

缺点:清除后会产生大量的不连续空间,这样对于将来大对象的内存分配是不利的,因为可能因为找不到连续的大块内存,不得不触发下一次gc。

3.复制——清除法

将可用空间分为两块A和B,每次只使用AB其中的一块,比如当A中内存已满的时候,就将A中所有存活的对象一次性复制到B中,然后清空整个A区。一般来说,98%的对象都是朝生夕死,所有没必要1:1的分配AB,所以一般会将内存划分为3块,一块较大的Eden区,两块较小的Survivor区。每次使用Eden和一块Survivor,GC时将存活对象移动到另一块Survivor中。但是一块Survivor可能容纳不下所有的存活对象,所以需要依赖另一块进行分配担保,只能将存活的一部分对象放入担保中,这就是内存的分配担保机制。

4.标记——整理法

这种方法的标记过程和标记清除算法一样,但是它解决了标记清除的问题。它的清扫过程不是直接进行的,而是先将所有存活对象都移动到一边,然后整个清扫那一边,这样就不存在内存空间不连续的问题了。

内存分配

1.对象优先在新生代中分配

新生代分为Eden区和Survivor区,大小比例通常为8:1,新对象一般在Eden区进行分配,当Eden区已满时,虚拟机会发起一次GC,将Eden区还存活的对象移动至Survivor区,并一次性清扫Eden区。

大对象直接进入老年代

所谓的大对象是指需要大量连续内存空间的对象,比如说很长的字符串或者数组。经常出现大对象容易导致内存还有不少空间时就要进行gc,以获取足够空间来存放它们。

长期存活的对象将进入老年代

如果对象在Eden区出生,并能够顺利熬过第一次gc,且能被Survivor区容纳的话,那么将被移动到Survivor区,并初始化年龄为1岁,以后每熬过一次gc,年龄就加一次,当年龄增加到一定程度(默认15),就会晋升到老年代中。

分代收集

对于所有的对象总不能一刀切吧,每种算法都有其缺点和优点。所以一般会将对象划分为新生代和老年代,对于新生代这种朝生夕死的对象,用复制清除算法,并采用老年代进行担保。而对于老年代中生命力较为顽强的对象,采用复制清除是不合适的,因为需要巨大的空间来进行分配担保,所以一般会采用标记清除或者标记整理算法。

两点疑问

1.为什么新生代采用复制清除法?

新生代gc比较频繁、对象存活率低,用复制算法在回收时的效率会更高,也不会产生内存碎片。

2.为什么复制清除法需要两块Survivor区?

如果说只有一块Survivor区,那么会发生如下情况:

第一次GC:Eden区的存活对象移动到Survivor区;

第二次GC:Eden区和Survivor区都发生了GC,都会只有一部分对象存活,这时再将Eden区存活对象复制至Survivor区,因为Survior自身存活对象的不连续性,便会产生内存碎片。

如果有两块Survivor区(S1,S2)的话,情况就能好很多:

第一次GC:Eden区的存活对象移动到S1区,S2空闲;

第二次GC:Eden区和S1区都发生了GC,都会只有一部分对象存活,这时再将Eden和S1的存活对象复制至S2区,这时Eden和S1又会保持空闲,且S2中的空闲内存也是连续的。

内存实战

GC日志分析

只学习理论是不够的,只会似懂非懂,绝知此事要躬行,下面我们就来通过实战分析一下垃圾回收器。

首先通过定时器每秒分配一个100M的大数组,并实时查看内存使用情况。

public static void main(String[] args) {
    Timer timer = new Timer();
    TimerTask task = new TimerTask() {
        @Override
        public void run() {
            Runtime runtime = Runtime.getRuntime();
            System.out.print("total:"+(runtime.totalMemory()/1024)+ "k/n");
            long free=runtime.freeMemory()/1024;
            System.out.print("free:" + free+ "k/n");
            if(free<102400){
                System.out.print("need gc"+"/n");
            }
            byte[] a1 = new byte[100 * 1024 * 1024];
            a1[1] = 1;
            System.out.print(a1[1]+"/n");
        }
    };
    timer.schedule(task, 1000, 1000);
}

下面来看看打印出的信息:

total:251392k
free:243527k
1
total:251392k
free:141127k
1
total:354304k
free:141639k
1
total:457216k
free:142151k
1
total:560128k
free:142663k

可见分配大对象时,虚拟机并不是频繁的gc,而是在不断的申请内存,totalMemory在不断变大。

下面在通过设置-XX:+PrintGCDetails来打印GC日志:

max:3728384k
total:2872832k
free:100166k
need gc
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 7864K->480K(76288K)] 2772665K->2765280K(2872832K), 0.0423481 secs] [Times: user=0.15 sys=0.01, real=0.05 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 480K->448K(76288K)] 2765280K->2765256K(2872832K), 0.0365171 secs] [Times: user=0.11 sys=0.00, real=0.03 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 448K->0K(76288K)] [ParOldGen: 2764808K->423K(79360K)] 2765256K->423K(155648K), [Metaspace: 3019K->3019K(1056768K)], 0.4096268 secs] [Times: user=0.04 sys=0.37, real=0.41 secs] 

1
max:3728384k
total:258560k
free:154426k

通过GC日志可知,当连续空间不够时,分配对象失败,然后会针对新生代发起一次minorGC,内存使用从7864k降低到了480k,这样还剩余75808k,但是还不够分配102400k的数组,所以接下来又因为分配失败发起一次minorGC,但是这次却没有回收到太多垃圾,那么怎么办,只能往老年代分配了。现在我们来计算一下老年代还有多少空间:

old = total - young = 2872832 - 76288 =2796544k
oldFree = old - oldUsed = 2796544 - 2764808 =31736k

老年代也只剩余31736k的空间,根本不够分配102400k的数组,这时就出现了内存分配担保失败,也就导致了下一步的发生:Full GC。

Full GC一般都是担保失败才出现,表明这次GC发生了Stop The World,会对所有年代进行回收。可以看见,第三次GC后,新生代对象被全部回收,老年代的大对象也基本被回收,但是这次GC后totalMemory变小了,从 2872832k 降低为 155648k 了。这时无论是新生代还是老年代都不够分配数组了,所以只能申请更大的内存空间了,分配数组后totalMemory又升至 258560k了。

当手动停止程序后,又打印出了新的堆内存日志:

Heap
PSYoungGen  total 76288K, used 3058K [0x000000076ab00000, 0x0000000774000000, 0x00000007c0000000)
    eden space 65536K, 4% used [0x000000076ab00000,0x000000076adfca70,0x000000076eb00000)
    from space 10752K, 0% used [0x000000076f580000,0x000000076f580000,0x0000000770000000)
    to   space 10752K, 0% used [0x000000076eb00000,0x000000076eb00000,0x000000076f580000)
ParOldGen   total 799744K, used 717223K [0x00000006c0000000, 0x00000006f0d00000, 0x000000076ab00000)
    object space 799744K, 89% used [0x00000006c0000000,0x00000006ebc69d08,0x00000006f0d00000)

Metaspace   used 3029K, capacity 4500K, committed 4864K, reserved 1056768K
    class space    used 331K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

从上面可以看出,新生代中eden区只使用了4%的空间,而老年代却使用了89%的空间,这也印证了大对象都在老年代中进行分配。

内存监控

只看GC日志的话,很多信息无法得到,那么最好的办法就是实时监控内存了。

接下来对上面的程序进行一些小改变,通过一个类变量对分配的数组加以强引用,这样保证数组不会被gc回收掉,然后我们就可以来监控JVM了。

1.输入jps -l,打印出进程pid

WangXiandengdeMacBook-Pro:test wangxiandeng$ jps -l
38464 
66083 com.intellij.rt.execution.application.AppMain
15875 com.xk72.charles.macosx.Main
66082 org.jetbrains.jps.cmdline.Launcher
66084 sun.tools.jps.Jps
22155

AppMain即为当前运行的进程pid,为66083。

2.利用jstat来监控该进程

WangXiandengdeMacBook-Pro:test wangxiandeng$ jstat -gc 66083 1000 100
 S0C    S1C    S0U    S1U      EC       EU        OC         OU       MC     MU    CCSC   CCSU   YGC     YGCT    FGC    FGCT     GCT   


10752.0 10752.0  0.0    0.0   65536.0   6554.2   175104.0     0.0     4480.0 771.4  384.0   75.8       0    0.000   0      0.000    0.000
10752.0 10752.0  0.0    0.0   65536.0   7864.9   175104.0   102400.0  4480.0 771.4  384.0   75.8       0    0.000   0      0.000    0.000
10752.0 10752.0  0.0    0.0   65536.0   7864.9   278016.0   204800.0  4480.0 771.4  384.0   75.8       0    0.000   0      0.000    0.000
10752.0 10752.0  0.0    0.0   65536.0   7864.9   380928.0   307200.0  4480.0 771.4  384.0   75.8       0    0.000   0      0.000    0.000
................

10752.0 10752.0  0.0    0.0   65536.0   7864.9  2796544.0  2764800.4  4480.0 771.4  384.0   75.8       0    0.000   0      0.000    0.000
10752.0 10752.0  0.0    0.0   65536.0    0.0    2796544.0  2765263.3  4864.0 3069.5 512.0  335.1       3    0.124   2      0.072    0.196

可见,100m的数组全都是直接在老年代中直接分配,最后一行可以看出,此时内存已经不够分配,于是发生了3次minorGC,2次FullGC,但是因为老年代中的数组全被强引用了,导致无法回收。

[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 7864K->512K(76288K)] 2772665K->2765320K(2872832K), 0.0433492 secs] [Times: user=0.16 sys=0.01, real=0.04 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 512K->496K(76288K)] 2765320K->2765304K(2872832K), 0.0422158 secs] [Times: user=0.11 sys=0.00, real=0.04 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 496K->0K(76288K)] [ParOldGen: 2764808K->2765263K(2796544K)] 2765304K->2765263K(2872832K), [Metaspace: 3069K->3069K(1056768K)], 0.0720605 secs] [Times: user=0.04 sys=0.07, real=0.08 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(76288K)] 2765263K->2765263K(2872832K), 0.0388848 secs] [Times: user=0.15 sys=0.00, real=0.03 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(76288K)] [ParOldGen: 2765263K->2765246K(2796544K)] 2765263K->2765246K(2872832K), [Metaspace: 3069K->3069K(1056768K)], 0.0291437 secs] [Times: user=0.04 sys=0.00, real=0.03 secs] 

Exception in thread "Timer-0" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
at com.wangxiandeng.test.Test$1.run(Test.java:30)
at java.util.TimerThread.mainLoop(Timer.java:555)
at java.util.TimerThread.run(Timer.java:505)

这时虽然totalMemory远未达到maxMemeory,但是因为老年代能够分配到的空间有限,即老年代已经不能申请到新的空间了,而这些大数组又无法放入新生代中,所以只能内存溢出了。

总结

虽然了解java不需要我们手动管理内存,但是了解这方面还是很有必要的,一是可以避免写出导致频繁GC、内存泄漏和溢出的代码,二是可以对虚拟机进行调优,虽然一般调优都是服务器端同学的事,但是今天却看到了维术同学的一篇新文章Android性能优化之虚拟机调优》
,很是佩服。

(如有错误,欢迎指正!)

原文 

https://halfstackdeveloper.github.io/2016/12/30/java内存管理初探/

PS:如果您想和业内技术大牛交流的话,请加qq群(527933790)或者关注微信公众 号(AskHarries),谢谢!

转载请注明原文出处:Harries Blog™ » java内存管理初探

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