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详解JVM内存布局及GC原理,值得收藏

java发展历史上出现过很多垃圾回收器,各有各的适应场景,不仅仅是开发,作为运维也需要对这方面有一定的掌握,今天简单介绍一下java的内存布局以及各种垃圾回收器的原理。

作者:波波说运维来源:今日头条|2019-09-02 14:53

java发展历史上出现过很多垃圾回收器,各有各的适应场景,不仅仅是开发,作为运维也需要对这方面有一定的掌握,今天简单介绍一下java的内存布局以及各种垃圾回收器的原理。

JVM内存布局

JVM从概念上大致分为6个(逻辑)区域:

详解JVM内存布局及GC原理,值得收藏

这6块区域按是否被线程共享,可以分为两大类:

详解JVM内存布局及GC原理,值得收藏

一类是每个线程所独享的:

  • PC Register:也称为程序计数器, 记录每个线程当前执行的指令信。eg:当前执行到哪一条指令,下一条该取哪条指令。
  • JVM Stack:也称为虚拟机栈,记录每个栈帧(Frame)中的局部变量、方法返回地址等。
  • Native Method Stack:本地(原生)方法栈,顾名思义就是调用操作系统原生本地方法时,所需要的内存区域。

上述3类区域,生命周期与Thread相同,即:线程创建时,相应的区域分配内存,线程销毁时,释放相应内存。

另一类是所有线程共享的:

  • Heap:即鼎鼎大名的堆内存区,也是GC垃圾回收的主站场,用于存放类的实例对象及Arrays实例等。
  • Method Area:方法区,主要存放类结构、类成员定义,static静态成员等。
  • Runtime Constant Pool:运行时常量池,比如:字符串,int -128~127范围的值等,它是Method Area中的一部分。

Heap、Method Area 都是在虚拟机启动时创建,虚拟机退出时释放。

总之,程序运行时,内存中的信息大致分为两类,一是跟程序执行逻辑相关的指令数据,这类数据通常不大,而且生命周期短;一是跟对象实例相关的数据,这类数据可能会很大,而且可以被多个线程长时间内反复共用,比如字符串常量、缓存对象这类。

将这两类特点不同的数据分开管理,体现了软件设计上“模块隔离”的思想。好比我们通常会把后端service与前端website解耦类似,也更便于内存管理。

GC垃圾回收原理

1. 哪些内存区域需要GC ?

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thread独享的区域:PC Regiester、JVM Stack、Native Method Stack,其生命周期都与线程相同(即:与线程共生死),所以无需GC。线程共享的Heap区、Method Area则是GC关注的重点对象。

2. 常用的GC算法

(1) mark-sweep 标记清除法

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如上图,黑色区域表示待清理的垃圾对象,标记出来后直接清空。该方法简单快速,但是缺点也很明显,会产生很多内存碎片。

(2) mark-copy 标记复制法

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思路也很简单,将内存对半分,总是保留一块空着(上图中的右侧),将左侧存活的对象(浅灰色区域)复制到右侧,然后左侧全部清空。避免了内存碎片问题,但是内存浪费很严重,相当于只能使用50%的内存。

(3) mark-compact 标记-整理(也称标记-压缩)法

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避免了上述两种算法的缺点,将垃圾对象清理掉后,同时将剩下的存活对象进行整理挪动(类似于windows的磁盘碎片整理),保证它们占用的空间连续,这样就避免了内存碎片问题,但是整理过程也会降低GC的效率。

(4) generation-collect 分代收集算法

上述三种算法,每种都有各自的优缺点,都不完美。在现代JVM中,往往是综合使用的,经过大量实际分析,发现内存中的对象,大致可以分为两类:有些生命周期很短,比如一些局部变量/临时对象,而另一些则会存活很久,典型的比如websocket长连接中的connection对象,如下图:

详解JVM内存布局及GC原理,值得收藏

纵向y轴可以理解分配内存的字节数,横向x轴理解为随着时间流逝(伴随着GC),可以发现大部分对象其实相当短命,很少有对象能在GC后活下来。因此诞生了分代的思想,以Hotspot为例(JDK 7):

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将内存分成了三大块:年青代(Young Genaration),老年代(Old Generation),永久代(Permanent Generation),其中Young Genaration更是又细为分eden,S0,S1三个区。

结合我们经常使用的一些jvm调优参数后,一些参数能影响的各区域内存大小值,示意图如下:

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GC主要过程

下图引自阿里出品的《码出高效-Java开发手册》一书,梳理了GC的主要过程。

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