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JVM内存分配机制与垃圾回收算法

1. JVM内存分配与回收

1.1 对象优先在Eden区分配

大多数情况下,对象在新生代中Eden区分配。当Eden区没有足够空间进行分配时,虚拟机将发起一次Minor GC。

  • Minor GC/Young GC:指发生新生代的垃圾收集动作,Minor GC非常频繁,回收速度一般也比较快。
  • Major GC/Full GC:一般会回收老年代,年轻代,方法区的垃圾,Major GC的速度一般会比Minor GC的慢10倍以上。

这里没有讨论Java11中的ZGC。

Eden与Survivor区默认8:1:1

大量的对象被分配在eden区,eden区满了后会触发minor gc,可能会有99%以上的对象成为垃圾被回收掉,剩余存活的对象会被挪到为空的那块survivor区,下一次eden区满了后又会触发minor gc,把eden区和survivor区垃圾对象回收,把剩余存活的对象一次性挪动到另外一块为空的survivor区,因为新生代的对象都是朝生夕死的,存活时间很短,所以JVM默认的8:1:1的比例是很合适的,让eden区尽量的大,survivor区够用即可,

JVM默认有这个参数-XX:+UseAdaptiveSizePolicy(默认开启),会导致这个8:1:1比例自动变化,如果不想这个比例有变化可以设置参数-XX:-UseAdaptiveSizePolicy

当eden区内存满了之后,我们再想给新的对象申请内存会发生什么呢?

来执行一段代码便知道结果了

//添加运行JVM参数: -XX:+PrintGCDetails
public class GCTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        byte[] allocation1, allocation2;
        allocation1 = new byte[120000*1024];
        allocation2 = new byte[8000*1024];
    }

}

执行结果:

[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 125263K->1080K(153088K)] 125263K->121088K(502784K), 0.0633074 secs] [Times: user=0.24 sys=0.06, real=0.06 secs] 
Heap
 PSYoungGen      total 153088K, used 10396K [0x0000000715f80000, 0x0000000728a80000, 0x00000007c0000000)
  eden space 131584K, 7% used [0x0000000715f80000,0x00000007168990e0,0x000000071e000000)
  from space 21504K, 5% used [0x000000071e000000,0x000000071e10e010,0x000000071f500000)
  to   space 21504K, 0% used [0x0000000727580000,0x0000000727580000,0x0000000728a80000)
 ParOldGen       total 349696K, used 120008K [0x00000005c1e00000, 0x00000005d7380000, 0x0000000715f80000)
  object space 349696K, 34% used [0x00000005c1e00000,0x00000005c9332010,0x00000005d7380000)
 Metaspace       used 3274K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 356K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

从上述的结果,第一行,可以看出,分配内存失败,然后在下方PSYoungGen中,eden space只使用了7%,而大多数的对象,直接被放入了ParOldGen。这说明,当Eden区没有足够的内存进行分配时,虚拟机将发起一次Minor GC,GC期间虚拟机又发现allocation1无法存入Survior空间,所以只好把新生代的对象提前转移到老年代区,老年代的空间足够存放,所以不会出现Full GC。执行完Minor GC后,后面分配的对象如果能够存在eden区的话还是会在Eden区分配。

1.2 大对象直接进入老年代

大对象就是需要大量连续内存空间的对象(比如字符串、数组)。JVM参数:-XX:PretenureSizeThreshold 可以设置大对象的大小,如果对象超过设置大小会直接进入老年代,不会进入年轻代,这个参数只在Serial和ParNew两个收集器下有效。

比如设置JVM参数:-XX:PretenureSizeThreshold=1000000 -XX:+UseSerialGC ,再执行下上面的第一个程序会发现大对象直接进入了老年代,这样的设计就是为了避免大对象分配内存的复制操作而降低效率。

1.3 长期存活的对象将进入老年代

既然虚拟机采用了分代收集的思想来管理内存,那么内存回收时就必须能识别哪些对象应放在新生代,哪些对象应放在老年代。为了做到这一点,虚拟机给每一个对象一个对象年龄(Age)计数器

如果对象再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,并将对象年龄设置为1。对象在Survivor中每熬过一次Minor GC,年龄就增加1岁,当它的年龄增加到一定程度(默认为15岁),就会晋升到老年代。对象晋升到老年代的年龄阈值,可以通过参数

-XX:MaxTenuringThreshold 来设置。

1.4 对象动态年龄判断

当前放对象的Survivor区域里(其中一块区域,放对象的那块s区),一批对象的总大小大于这块Survivor区域内存大小的50%,那么此时大于等于这批对象年龄最大值的对象,就可以直接进入老年代,例如Survivor区域现在有一批对象,年龄1+年龄2+年龄n的多个年龄对象总和超过了Survivor区域的50%,此时就会把年龄n以上的对象放入老年代。这个规则其实希望哪些可能是长期存活的对象尽早进入老年代。对象动态年龄判断机制一般是在Minor GC之后触发的。

1.5 Minor GC后存活的对象Survivor区放不下

这种情况会把存活的对象部分挪到老年代,部分还会放在Survivor区

1.6 老年代空间分配担保机制

年轻代每次Minor GC之前,JVM都会计算下老年代剩余可用空间。

如果这个可用空间小于年轻代里现有的所有对象大小之和(包括垃圾对象),就会看一个

-XX:-HandlePromotionFailure(jdk1.8默认设置)的参数是否设置了

如果有-XX:-HandlePromotionFailure这个参数,就会看看老年代的可用内存大小,是否大于之前每一次Minor GC后进入老年代的平均大小。

如果上一步结果是小于或者之前说的参数没有设置,那么就会触发一次Full GC,对于老年代和年轻代一起回收一次垃圾,如果回收完还是没有空间存放新的对象就会发生堆内存溢出。

如果Minor GC之后剩余存活的需要挪动到老年代的对象大小还是大于老年代可用空间,那么也会触发Full GC,Full GC完之后如果还是没有空间存放Minor GC之后的存活对象,则也会发生堆内存溢出。

image.png

1.7 Eden与Survivor区默认8:1:1

大量的对象被分配在Eden区,Eden区满了之后会触发Minor GC,可能会有99%以上的对象成为被回收掉,剩余存活的对象被挪到空的那块survivor区,下一次Eden区满了之后又会触发Minor GC,把Eden区和Survivor区垃圾对象回收,把剩余存活对象一次性挪动到另一块空的Survivor区,因为新生代的对象都是朝生夕死的,存活时间很短,所以JVM默认的8:1:1的比例很合适,让Eden区尽量的大,Survivor区够用就行

JVM默认有这个参数-XX:+UseAdaptiveSizePolicy,会导致这个比例自动变化,如果不想这个比例变化可以设置参数-XX:-UseAdaptiveSizePolicy

2. 如何判断这个对象可以被回收

堆中几乎放着所有的对象实例,对堆垃圾回收前的第一步就是要判断哪些对象需要被回收,而哪些对象不用被回收。

image.png

2.1 引用计数法

给对象添加一个引用计数器,每当一个地方引用它,那么便进行+1,当引用失效,计数器-1,任何时候计数器为0的对象就是不可能再被使用的。

这个方法实现简单高效,效率高,但是市面上主流的虚拟机中并没有选择这个算法来管理内存,其主要的原因是它很难解决对象之间相互循环引用的问题

所谓对象之间相互循环引用的问题就是说对象A和对象B互相引用引用之外,这两个对象之间无其他任何引用,导致他们的引用计数器都不为0,于是通过引用计数器无法回收他们。

例如:

Test a = new Test();
Test b = new Test();
a = b;
b = a;
a = null;
b = null;

2.2 可达性分析算法

这一算法的基本思想就是通过一系列的成为“GC Roots”的对象作为起点,从这些节点开始向下搜索,找到的对象都标记为非垃圾对象,其余未标记的对象都是垃圾对象

GC Roots根节点:线程栈的本地变量静态变量本地方法栈的变量

image.png

2.3 常见引用类型

Java的引用类型一般分为四种:强引用软引用弱引用虚引用

强引用:普通的变量引用

public static User user = new User();

软引用:将对象用SoftReference软引用类型的对象包裹,正常情况下不会被回收,但是GC做完后发现释放不出空间存放新的对象,则会把这些软引用的对象回收掉。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。

public static SoftReference<User> user = new SoftReference<User>(new User());

软引用在实际中有重要的应用,例如浏览器的后退按钮。按后退时,这个后退时显示的网页内容是重新进行请求还是从缓存中取出呢?这就要看具体的实现策略了。

  1. 如果一个网页在浏览结束时就进行内容的回收,则按后退查看前面浏览过的页面时,需要重新构建。
  2. 如果将浏览过的网页存储到内存中会造成内存的大量浪费,甚至会造成内存溢出。

弱引用:将对象用WeakReference软引用类型的对象包裹,弱引用跟没引用差不多,GC会直接回收掉,很少用

public static WeakReference<User> user = new WeakReference<User>(new User());

虚引用:虚引用也称为幽灵引用或者幻影引用,它是最弱的一种引用关系,几乎不用

2.4 finalize()方法最终判定对象是否存活

即使在可达性分析算法中不可达的对象,也并非是“非死不可”的,这时候它们暂时处于“缓刑”阶段,要真正宣告一个对象死亡,至少要经历再次标记过程。

标记的前提是对象在进行可达性分析后发现没有与GC Roots相连接的引用链。

  1. 第一次标记并进行一次筛选。
    筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法
    当对象没有覆盖finalize()方法,对象将直接回收
  2. 如果这个对象覆盖了finalize()方法,finalize方法是对象脱逃死亡命运的最后一次机会,如果对象要在finalize()中成功拯救自己,只要重新与引用链上的任何的一个对象建立关联即可,譬如把自己赋值给某个类变量或对象的成员变量,那在第二次标记时它将移除出“即将回收”的集合。如果对象这时候还没逃脱,那基本上它就真的被回收了。

2.5 如何判断一个类是无用的类

方法区主要回收的是无用的类,那么如何判断一个类是无用的类的呢?

类需要同时满足下面3个条件才能算是 “无用的类” :

  • 该类所有的实例都已经被回收,也就是 Java 堆中不存在该类的任何实例。
  • 加载该类的 ClassLoader 已经被回收
  • 该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用无法在任何地方通过反射访问该类的方法

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3. 垃圾收集算法

image.png

3.1 标记-清除算法

算法分为“标记”和“清除”阶段:首先标记出所有需要回收的对象,在标记完成后统一回收所有被标记的对象。它是最基础的收集算法,效率也很高,但是会带来两个明显的问题:

  1. 效率问题
  2. 空间问题(标记清除后会产生大量不连续的碎片)

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3.2 复制算法

为了解决效率问题,“复制”收集算法出现了。它可以将内存分为大小相同的两块,每次使用其中的一块。当这一块的内存使用完后,就将还存活的对象复制到另一块去,然后再把使用的空间一次清理掉。这样就使每次的内存回收都是对内存区间的一半进行回收。

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3.3 标记-整理算法

根据老年代的特点特出的一种标记算法,标记过程仍然与“标记-清除”算法一样,但后续步骤不是直接对可回收对象回收,而是让所有存活的对象向一段移动,然后直接清理掉端边界以外的内存。

image.png

3.4 分代收集算法

当前虚拟机的垃圾收集都采用分代收集算法,这种算法没有什么新的思想,只是根据对象存活周期的不同将内存分为几块。一般将java堆分为新生代和老年代,这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。

比如在新生代中,每次收集都会有大量对象(近99%)死去,所以可以选择复制算法,只需要付出少量对象的复制成本就可以完成每次垃圾收集。而老年代的对象存活几率是比较高的,而且没有额外的空间对它进行分配担保,所以我们必须选择“标记-清除”或“标记-整理”算法进行垃圾收集。注意,“标记-清除”或“标记-整理”算法会比复制算法慢10倍以上。

3.5 无停顿GC算法

在Java11中引入了新的ZGC,“ZGC暂停不会超过10ms”,实际上维持在最大暂停时间1ms并不是难事。注意是最大暂停时间,而不是平均、90%、99%。

ZGC所采用的算法就是Azul Systems很多年前提出的Pauseless GC

Azul PGC简单来说是:它是一个mark-compact GC,但是GC过程中所有的阶段都设计为可以并发的,包括移动对象的阶段,所以GC正常工作的时候除了会在自己的线程上吃点CPU之外并不会显著干扰应用的运行。为了实现上方便,PGC虽然算法上可以做成完全并发,Azul PGC在Azul VM里的实现还是有三个非常短暂的safepoint,其中第一个是做根集合(root set)扫描,包括全局变量啊线程栈啊啥的里面的对象指针,但不包括GC堆里的对象指针,所以这个暂停就不会随着GC堆的大小而变化(不过会根据线程的多少啊、线程栈的大小之类的而变化)。另外两个暂停也同样不会随着堆大小而变化。

这种并发算法的核心思想就是:

  • 在标记阶段,与其说是标记对象(记录对象是否已经被标记),不如说是标记指针(记录GC堆里的每个指针是否已经被标记)。这就与传统的三色标记对象的GC算法有非常大的区别,虽然两者从收敛性上看是等价的——最终所有对象以及所有指针都会被遍历过。
  • 在标记和移动对象的阶段,每次从GC堆里的对象的引用类型字段里读取一个指针的时候,这个指针都会经过一个“Loaded Value Barrier”(LVB)。这是一种“Read Barrier”(读屏障),会在不同阶段做不同的事情。最简单的事情就是,在标记阶段它(读屏障)会把指针标记上并把堆里的这个指针给“修正”到新的标记后的值;而在移动对象的阶段,这个屏障会把读出的指针更新到对象的新地址上,并且把堆里的这个指针“修正”到原本的字段里。这样就算GC把对象移动了,读屏障也会发现并修正指针,于是应用代码就永远都会持有更新后的有效指针,而不需要通过stop-the-world这种最粗粒度的同步方式来让GC与应用之间同步
  • LVB中有一点很重要,就是“self healing”性质:如果堆上有指针当前处于“尚未更新”的状态,一旦经过LVB之后就会被就地更新,于是在同一个GC周期内再次访问这个字段的话就不需要再修正了。这样LVB带来的性能开销(吞吐量的下降)就是非常短暂的,而不像Shenandoah GC所使用的Brooks indirection pointer那样一直都慢。

参考文章
JVM整体结构及内存模型分析
JVM里的符号引用如何存储?
ZGC 原理是什么,它为什么能做到低延时?


标题:JVM内存分配机制与垃圾回收算法
作者:MingGH
地址:https://runnable.run/articles/2021/03/21/1616329779925.html