JVM内存模型与GC算法

1.JVM内存模型

JVM内存模型与GC算法

JVM内存模型如上图,需要声明一点,这是《Java虚拟机规范(Java SE 7版)》规定的内容,实际区域由各JVM自己实现,所以可能略有不同。以下对各区域进行简短说明。

1.1程序计数器

程序计数器是众多编程语言都共有的一部分,作用是标示下一条需要执行的指令的位置,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都是依赖程序计数器完成的。

对于Java的多线程程序而言,不同的线程都是通过轮流获得cpu的时间片运行的,这符合计算机组成原理的基本概念,因此不同的线程之间需要不停的获得运行,挂起等待运行,所以各线程之间的计数器互不影响,独立存储。这些数据区属于线程私有的内存。

1.2 Java虚拟机栈

VM虚拟机栈也是线程私有的,生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型:每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法调用直至执行完的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

有人将java内存区域划分为栈与堆两部分,在这种粗略的划分下,栈标示的就是当前讲的虚拟机栈,或者是虚拟机栈对应的局部变量表。之所以说这种划分比较粗略是角度不同,这种划分方法关心的是新申请内存的存在空间,而我们目前谈论的是JVM整体的内存划分,由于角度不同,所以划分的方法不同,没有对与错。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本类型,对象引用,和returnAddress。其中64位长的long和double占用了2个局部变量空间(slot),其他类型都占用1个。这也从存储的角度上说明了long与double本质上的非原子性。局部变量表所需的内存在编译期间完成分配,当进入一个方法时,这个方法在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的,在方法运行期间不会改变局部变量表大小。

由于栈帧的进出栈,显而易见的带来了空间分配上的问题。如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度,将抛出*Error异常;如果虚拟机栈可以扩展,扩展时无法申请到足够的内存,将会抛出OutOfMemoryError。显然,这种情况大多数是由于循环调用与递归带来的。

1.3 本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈的作用十分类似,不过本地方法是为native方法服务的。部分虚拟机(比如 Sun HotSpot虚拟机)直接将本地方法栈与虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样,本地方法栈也会抛出StactOverFlowError与OutOfMemoryError异常。

至此,线程私有数据区域结束,下面开始线程共享数据区。

1.4 Java堆

Java堆是虚拟机所管理的内存中最大的一块,在虚拟机启动时创建,此块内存的唯一目的就是存放对象实例,几乎所有的对象实例都在对上分配内存。JVM规范中的描述是:所有的对象实例以及数据都要在堆上分配。但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟,栈上分配(对象只存在于某方法中,不会逃逸出去,因此方法出栈后就会销毁,此时对象可以在栈上分配,方便销毁),标量替换(新对象拥有的属性可以由现有对象替换拼凑而成,就没必要真正生成这个对象)等优化技术带来了一些变化,目前并非所有的对象都在堆上分配了。

当java堆上没有内存完成实例分配,并且堆大小也无法扩展是,将会抛出OutOfMemoryError异常。Java堆是垃圾收集器管理的主要区域。

1.5 方法区

方法区与java堆一样,是线程共享的数据区,用于存储被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译的代码。JVM规范将方法与堆区分开,但是HotSpot将方法区作为永久代(Permanent Generation)实现。这样方便将GC分代手机方法扩展至方法区,HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一样管理方法区。但是这种方向已经逐步在被HotSpot替换中,在JDK1.7的版本中,已经把原本存放在方法区的字符串常量区移出。

至此,JVM规范所声明的内存模型已经分析完毕,下面将分析一些经常提到的与内存相关的区域。

1.6 运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等信息外,还有一项信息是常量池(Constant Poll Table)用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用,这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池存放。

其中字符串常量池属于运行时常量池的一部分,不过在HotSpot虚拟机中,JDK1.7将字符串常量池移到了java堆中,通过下面的实验可以很容易看到。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List; /**
* Created by shining.cui on 2017/7/23.
*/
public class RunTimeContantPoolOOM {
public static void main(String[] args) {
List list = new ArrayList();
int i = 0;
while(true){
list.add(String.valueOf(i++).intern());
}
}
}

在jdk1.6中,字符串常量区是在Perm Space中的,所以可以将Perm Spacce设置的小一些,XX:MaxPermSize=10M可以很快抛出异常:java.lang.OutOfMemoryError:Perm Space。

在jdk1.7以上,字符串常量区已经移到了Java堆中,设置-Xms:64m -Xmx:64m,很快就可以抛出异常java.lang.OutOfMemoryError:java.heap.space。

1.7 直接内存

直接内存不是JVM运行时的数据区的一部分,也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。在JDK1.4中引入了NIO(New Input/Output)类,引入了一种基于通道(Chanel)与缓冲区(Buffer)的I/O方式,他可以使用Native函数库直接分配堆外内存,然后通过一个存储在Java中的DirectByteBuffer对象作为对这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能,因为避免了在Java对和Native对中来回复制数据。

2.GC算法

2.1 标记-清除算法

最基础的垃圾收集算法是“标记-清除”(Mark Sweep)算法,正如名字一样,算法分为2个阶段:1.标记处需要回收的对象,2.回收被标记的对象。标记算法分为两种:1.引用计数算法(Reference Counting) 2.可达性分析算法(Reachability Analysis)。由于引用技术算法无法解决循环引用的问题,所以这里使用的标记算法均为可达性分析算法。

JVM内存模型与GC算法

如图所示,当进行过标记清除算法之后,出现了大量的非连续内存。当java堆需要分配一段连续的内存给一个新对象时,发现虽然内存清理出了很多的空闲,但是仍然需要继续清理以满足“连续空间”的要求。所以说,这种方法比较基础,效率也比较低下。

2.2 复制算法

为了解决效率与内存碎片问题,复制(Copying)算法出现了,它将内存划分为两块相等的大小,每次使用一块,当这一块用完了,就讲还存活的对象复制到另外一块内存区域中,然后将当前内存空间一次性清理掉。这样的对整个半区进行回收,分配时按照顺序从内存顶端依次分配,这种实现简单,运行高效。不过这种算法将原有的内存空间减少为实际的一半,代价比较高。

JVM内存模型与GC算法

从图中可以看出,整理后的内存十分规整,但是白白浪费一般的内存成本太高。然而这其实是很重要的一个收集算法,因为现在的商业虚拟机都采用这种算法来回收新生代。IBM公司的专门研究表明,新生代中的对象98%都是“朝生夕死”的,所以不需要按照1:1的比例来划分内存。HotSpot虚拟机将Java堆划分为年轻代(Young Generation)、老年代(Tenured Generation),其中年轻代又分为一块Eden和两块Survivor。

JVM内存模型与GC算法

所有的新建对象都放在年轻代中,年轻代使用的GC算法就是复制算法。其中Eden与Survivor的内存大小比例为8:2,其中Eden由1大块组成,Survivor由2小块组成。每次使用内存为1Eden+1Survivor,即90%的内存。由于年轻代中的对象生命周期往往很短,所以当需要进行GC的时候就将当前90%中存活的对象复制到另外一块Survivor中,原来的Eden与Survivor将被清空。但是这就有一个问题,我们无法保证每次年轻代GC后存活的对象都不高于10%。所以在当活下来的对象高于10%的时候,这部分对象将由Tenured进行担保,即无法复制到Survivor中的对象将移动到老年代。

2.3 标记-整理算法

复制算法在极端情况下(存活对象较多)效率变得很低,并且需要有额外的空间进行分配担保。所以在老年代中这种情况一般是不适合的。

JVM内存模型与GC算法

所以就出现了标记-整理(Mark-Compact)算法。与标记清除算法一样,首先是标记对象,然而第二步是将存货的对象向内存一段移动,整理出一块较大的连续内存空间。

3. 总结

  1. Java虚拟机规范中规定了对内存的分配,其中程序计数器、本地方法栈、虚拟机栈属于线程私有数据区,Java堆与方法区属于线程共享数据。
  2. Jdk从1.7开始将字符串常量区由方法区(永久代)移动到了Java堆中。
  3. Java从NIO开始允许直接操纵系统的直接内存,在部分场景中效率很高,因为避免了在Java堆与Native堆中来回复制数据。
  4. Java堆分为年轻代有年老代,其中年轻代分为1个Eden与2个Survior,同时只有1个Eden与1个Survior处于使用中状态,又有年轻代的对象生存时间为往往很短,因此使用复制算法进行垃圾回收。
  5. 年老代由于对象存活期比较长,并且没有可担保的数据区,所以往往使用标记-清除与标记-整理算法进行垃圾回收。
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