基于JDK8的JVM内存模型详解与GC策略

迷南。 2022-05-09 09:30 646阅读 0赞

#### JVM内存模型总览 ####

首先看一下JVM内存模型图

![在这里插入图片描述][70]

*  程序计数器Program Counter Register  
    程序计数器是一块较小的内存区，可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器，如果线程正在执行一个JAVA方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址，如果正在执行的是NATIVE方法，这个计数器值为空(Undefined)，此内存区域是唯一一个在JAVA虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError的区域
    
    **注：这里有问题是计数器值为空，程序怎么往下执行**  
    参考C++理解是：当线程中调用native方法的时候，则重新启动一个新的线程，那么新的线程的计数器为空则不会影响当前线程的计数器，相互独立。
 *  虚拟机栈VM Stack  
    描述的是JAVA方法执行的内存模型，每个方法在执行的时候都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法接口等信息  
    局部变量表存储了编译期可知的各种基本数据类型(boolean, byte, char, short, int, float, double, long), 对象引用(reference类型和returnAddress类型(指向一条字节码指令的地址)  
    线程请求的栈深度不够会报StackOverflowError异常  
    栈动态扩展的容量不够会报OutOfMemoryError异常
 *  本地方法栈Native Stack  
    本地方法栈类似于虚拟机栈，只不过本地方法栈使用的是本地方法
 *  堆Heap  
    几乎所有的对象实例都在堆上分配内存,  
    图示关于堆的结构  
    ![在这里插入图片描述][70 1]

1.  JAVA对象优先在Eden区分配，当Eden区没有足够的空间时触发一次Minor GC ，触发Minor GC时，Eden和from区中的存活对象会被复制到to区，然后from和to交换指针，以保证下次Minor GC时，to区还是空的，如果survival区无法容纳的对象将通过分配担保机制直接进入老年区
2.  分配担保机制可以通过HandlePromotionFailure配置，如果不允许的话，则直接发生FULL GC
3.  新生代(Young Generation)的最大大小将根据总堆的最大大小和NewRatio参数的值来计算。参数的“不受限制”默认值MaxNewSize意味着计算值不受限制，MaxNewSize除非MaxNewSize在命令行中指定了值
4.  一般情况下，不允许-XX:Newratio值小于1，即Old要比Young大
5.  大对象直接进入老年区的判断是根据PretenureSizeThreshold设置的阈值，所谓大对象时指需要大量连续内存空间的Java对象，最典型的大对象就是那种很长的字符串以及数组（笔者列出的例子中的byte\[\]数组就是典型的大对象）
6.  发生full GC的条件是：

（1）调用System.gc时，系统建议执行Full GC，但是不必然执行 （2）老年代空间不足 （3）方法去空间不足 （4）通过Minor GC后进入老年代的平均大小大于老年代的可用内存 （5）由Eden区、From Space区向To Space区复制时，对象大小大于To Space可用内存，则把该对象转存到老年代，且老年代的可用内存小于该对象大小

1.  对象存活判断

- 引用计数：每个对象有一个引用计数属性，新增一个引用时计数加1，引用释放时计数减1，计数为0时可以回收。此方法简单，无法解决对象相互循环引用的问题 - 可达性分析：从GC Roots开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链。当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证明此对象是不可用的，不可达对象

1.  GC Roots对象包括

> 虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象 > 方法区中类静态属性引用的对象 > 方法区中常量引用的对象 > 本地方法栈中JNI(即一般说的Native方法)引用的对象 > 已启动且未停止的java线程

1.  TLAB(Thread Local Allocation Buffer)，即线程本地分配缓存区，这是一个线程专用的内存分配区域，可以使用参数 -XX:+UseTLAB，默认开启，这个是用于解决多线程竞争堆内存分配问题，核心原理是每个线程可以向JAVA虚拟机申请一段连续的内存，作为线程私有的TLAB，这个操作需要加锁

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>参数</th> 
   <th>默认值</th> 
   <th>作用</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>MinHeapFreeRatio</td> 
   <td>40</td> 
   <td>GC后，如果发现空闲堆内存小于整个预估堆内存的40%，则放大堆内存的预估最大值，但不超过固定最大值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>MaxHeapFreeRatio</td> 
   <td>70</td> 
   <td>GC后，如果发现空闲堆内存占到整个预估堆内存的70%，则收缩堆内存预估最大值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Xms</td> 
   <td>物理内存的1/64(&lt;1GB)</td> 
   <td>初始堆大小</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Xmx</td> 
   <td>物理内存的1/4(&lt;1GB)</td> 
   <td>最大堆大小</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>NewRatio</td> 
   <td>2</td> 
   <td>年轻代(包括Eden和两个Survivor区)与年老代的比值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>NewSize</td> 
   <td>1310M</td> 
   <td>设置年轻代大小</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>MaxNewSize</td> 
   <td>不限</td> 
   <td>设置年轻代大小最大值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>SurvivorRatio</td> 
   <td>8</td> 
   <td>Eden区与Survivor区的大小比值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>MaxTenuringThreshold</td> 
   <td>15</td> 
   <td>垃圾最大年龄</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>PretenureSizeThreshold</td> 
   <td>0</td> 
   <td>超过这个值直接在old区分配，默认值是0，意思是不管多大都是先在eden中分配</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

*  方法区Method Area  
    JAVA虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个Non-Heap的别名，用于存储已被虚拟机加载的类信息，常亮，静态变量， 即时编译器编译后的代码等数据

在JDK 8中，永久代被删除，类元数据在本机内存中分配。默认情况下，可用于类元数据的本机内存量是无限制的。使用该选项MaxMetaspaceSize可以为用于类元数据的本机内存量设置上限。

metaspace其实由两大部分组成 Klass Metaspace就是用来存klass的，klass是我们熟知的class文件在jvm里的运行时数据结构，不过有点要提的是我们看到的类似A.class其实是存在heap里的，是java.lang.Class的一个对象实例。这块内存是紧接着Heap的，和我们之前的perm一样，这块内存大小可通过-XX:CompressedClassSpaceSize参数来控制，这个参数前面提到了默认是1G，但是这块内存也可以没有，假如没有开启压缩指针就不会有这块内存，这种情况下klass都会存在NoKlass Metaspace里，另外如果我们把-Xmx设置大于32G的话，其实也是没有这块内存的，因为会这么大内存会关闭压缩指针开关。还有就是这块内存最多只会存在一块。 NoKlass Metaspace专门来存klass相关的其他的内容，比如method，constantPool等，这块内存是由多块内存组合起来的，所以可以认为是不连续的内存块组成的。这块内存是必须的，虽然叫做NoKlass Metaspace，但是也其实可以存klass的内容，上面已经提到了对应场景。 Klass Metaspace和NoKlass Mestaspace都是所有classloader共享的，所以类加载器们要分配内存，但是每个类加载器都有一个SpaceManager，来管理属于这个类加载的内存小块。如果Klass Metaspace用完了，那就会OOM了，不过一般情况下不会，NoKlass Mestaspace是由一块块内存慢慢组合起来的，在没有达到限制条件的情况下，会不断加长这条链，让它可以持续工作。 元空间的特点 - 充分利用了Java语言规范中的好处：类及相关的元数据的生命周期与类加载器的一致。 - 每个加载器有专门的存储空间 - 只进行线性分配 - 不会单独回收某个类 - 省掉了GC扫描及压缩的时间 - 元空间里的对象的位置是固定的 - 如果GC发现某个类加载器不再存活了，会把相关的空间整个回收掉 元空间的内存分配模型 - 绝大多数的类元数据的空间都从本地内存中分配 - 用来描述类元数据的类(klasses)也被删除了 - 分元数据分配了多个虚拟内存空间 - 给每个类加载器分配一个内存块的列表。块的大小取决于类加载器的类型; sun/反射/代理对应的类加载器的块会小一些 - 归还内存块，释放内存块列表 - 一旦元空间的数据被清空了，虚拟内存的空间会被回收掉 - 减少碎片的策略

*  运行时常量池Runtime Constant Pool  
    运行时常量池时方法区中的一部分，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，并不是只有编译期才能产生常量，运行期间也有可能将新的常量放入常量池，因此也会有可能抛出OutOfMemoryError异常  
    常见的有字符串常量池

参考：  
\[1\] 深入理解Java虚拟机第二版

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