jvm之分配与回收策略

JVM内存分配与回收策略

Java的自动内存管理，最根本的目标是自动化解决两个问题：自动给对象分配内存和自动回收分配给对象的内存。

一、对象内存分配

从概念上讲，应该都是在堆上分配（而实际上也有可能经过即时编译后被拆散为标量类型并间接地在栈上分配）。

在经典的分代收集器中，新生对象一般会分配在新生代。特殊情况下回直接分配在老年代，如对象大小超过阈值。

1、对象优先在新生代Eden区分配。

当Eden区没有足够空间分配时，JVM发起一次新生代回收Minor GC。

HotSpot虚拟机收集器日志参数：-XX：+PrintGCDetails

该参数使JVM发生垃圾收集行为时打印内存回收日志，并在进程退出时输出当前的内存各个区域分配情况。在实际的问题排查中，收集器日志常会打印到文件后通过工具进行分析。

-XX：Survivor-Ratio=8

设置新生代中Eden区与一个Survivor区的空间比例是8∶1

如果新生代大小 -Xmn=10M,那么Eden区大小为8192K，2个Survivor取均为1024K，新生代实际总可用空间8192K+1024K=9216KB。

-verbose :gc在输出设备上显示虚拟机运行GC信息。

示例：

private static final int _1MB = 1024 * 1024;

/**
 * VM参数：-verbose:gc -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8
 */
public static void testAllocation() {
    byte[] allocation1, allocation2, allocation3, allocation4;
    allocation1 = new byte[2 * _1MB];
    allocation2 = new byte[2 * _1MB];
    allocation3 = new byte[2 * _1MB];
    allocation4 = new byte[4 * _1MB];  // 出现一次Minor GC
 }

结果

[GC [DefNew: 6651K->148K(9216K), 0.0070106 secs] 6651K->6292K(19456K), 0.0070426 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
Heap
    def new generation   total 9216K, used 4326K [0x029d0000, 0x033d0000, 0x033d0000)
        eden space 8192K,  51% used [0x029d0000, 0x02de4828, 0x031d0000)
        from space 1024K,  14% used [0x032d0000, 0x032f5370, 0x033d0000)
        to   space 1024K,   0% used [0x031d0000, 0x031d0000, 0x032d0000)
    tenured generation   total 10240K, used 6144K [0x033d0000, 0x03dd0000, 0x03dd0000)
            the space 10240K,  60% used [0x033d0000, 0x039d0030, 0x039d0200, 0x03dd0000)
    compacting perm gen  total 12288K, used 2114K [0x03dd0000, 0x049d0000, 0x07dd0000)
            the space 12288K,  17% used [0x03dd0000, 0x03fe0998, 0x03fe0a00, 0x049d0000)
No shared spaces configured.

2、大对象直接进入老年代

大对象就是指需要大量连续内存空间的Java对象，最典型的大对象便是那种很长的字符串，或者元素数量很庞大的数组或集合。

写程序应该避免大对象，因为分配空间时容易导致明明还有空间却提前出发垃圾收集，获取足够的连续空间来分配大对象。另外复制大对象，也需要大量的内存复制开销。

-XX：PretenureSizeThreshold

该参数用来指定大于该设置值的对象直接在老年代分配。该参数只对Serial和ParNew两款新生代收集器有效

目的就是避免在Eden区及两个Survivor区之间来回复制，产生大量的内存复制操作。

必须使用此参数进行调优，可考虑ParNew加CMS的收集器组合。

示例

private static final int _1MB = 1024 * 1024;

/**
 * VM参数：-verbose:gc -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8
 * -XX:PretenureSizeThreshold=3145728
 */
public static void testPretenureSizeThreshold() {
    byte[] allocation;
    allocation = new byte[4 * _1MB];  //直接分配在老年代中
}

执行结果

Heap
    def new generation   total 9216K, used 671K [0x029d0000, 0x033d0000, 0x033d0000)
        eden space 8192K,   8% used [0x029d0000, 0x02a77e98, 0x031d0000)
        from space 1024K,   0% used [0x031d0000, 0x031d0000, 0x032d0000)
        to   space 1024K,   0% used [0x032d0000, 0x032d0000, 0x033d0000)
    tenured generation   total 10240K, used 4096K [0x033d0000, 0x03dd0000, 0x03dd0000)
            the space 10240K,  40% used [0x033d0000, 0x037d0010, 0x037d0200, 0x03dd0000)
    compacting perm gen  total 12288K, used 2107K [0x03dd0000, 0x049d0000, 0x07dd0000)
            the space 12288K,  17% used [0x03dd0000, 0x03fdefd0, 0x03fdf000, 0x049d0000)
No shared spaces configured.

3、长期存活的对象将进入老年代

虚拟机给每个对象定义了一个对象年龄（Age）计数器，存储在对象头中。

对象通常在Eden区里诞生，如果经过第一次Minor GC后仍然存活，并且能被Survivor容纳的话，该对象会被移动到Survivor空间中，并且将其对象年龄设为1岁。对象在Survivor区中每熬过一次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），就会被晋升到老年代中。

-XX：MaxTenuringThreshold：

该参数可以用来设置对象晋升老年代的年龄阈值。

示例

private static final int _1MB = 1024 * 1024;

/**
 * VM参数：-verbose:gc -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:Survivor-
   Ratio=8 -XX:MaxTenuringThreshold=1
 * -XX:+PrintTenuringDistribution
 */
@SuppressWarnings("unused")
public static void testTenuringThreshold() {
    byte[] allocation1, allocation2, allocation3;
    allocation1 = new byte[_1MB / 4];   // 什么时候进入老年代决定于XX:MaxTenuring-
                                                   Threshold设置
    allocation2 = new byte[4 * _1MB];
    allocation3 = new byte[4 * _1MB];
    allocation3 = null;
    allocation3 = new byte[4 * _1MB];
}

以-XX：MaxTenuringThreshold=1参数来运行的结果：

[GC [DefNew
Desired Survivor size 524288 bytes, new threshold 1 (max 1)
- age   1:     414664 bytes,     414664 total
: 4859K->404K(9216K), 0.0065012 secs] 4859K->4500K(19456K), 0.0065283 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.02 secs]
[GC [DefNew
Desired Survivor size 524288 bytes, new threshold 1 (max 1)
: 4500K->0K(9216K), 0.0009253 secs] 8596K->4500K(19456K), 0.0009458 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
Heap
    def new generation   total 9216K, used 4178K [0x029d0000, 0x033d0000, 0x033d0000)
        eden space 8192K,  51% used [0x029d0000, 0x02de4828, 0x031d0000)
        from space 1024K,   0% used [0x031d0000, 0x031d0000, 0x032d0000)
        to   space 1024K,   0% used [0x032d0000, 0x032d0000, 0x033d0000)
    tenured generation   total 10240K, used 4500K [0x033d0000, 0x03dd0000, 0x03dd0000)
            the space 10240K,  43% used [0x033d0000, 0x03835348, 0x03835400, 0x03dd0000)
    com\pacting perm gen  total 12288K, used 2114K [0x03dd0000, 0x049d0000, 0x07dd0000)
            the space 12288K,  17% used [0x03dd0000, 0x03fe0998, 0x03fe0a00, 0x049d0000)
No shared spaces configured.

以-XX：MaxTenuringThreshold=15参数来运行的结果：

[GC [DefNew
Desired Survivor size 524288 bytes, new threshold 15 (max 15)
- age   1:     414664 bytes,     414664 total
: 4859K->404K(9216K), 0.0049637 secs] 4859K->4500K(19456K), 0.0049932 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[GC [DefNew
Desired Survivor size 524288 bytes, new threshold 15 (max 15)
- age   2:     414520 bytes,     414520 total
: 4500K->404K(9216K), 0.0008091 secs] 8596K->4500K(19456K), 0.0008305 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
Heap
    def new generation   total 9216K, used 4582K [0x029d0000, 0x033d0000, 0x033d0000)
        eden space 8192K,  51% used [0x029d0000, 0x02de4828, 0x031d0000)
        from space 1024K,  39% used [0x031d0000, 0x03235338, 0x032d0000)
        to   space 1024K,   0% used [0x032d0000, 0x032d0000, 0x033d0000)
    tenured generation   total 10240K, used 4096K [0x033d0000, 0x03dd0000, 0x03dd0000)
            the space 10240K,  40% used [0x033d0000, 0x037d0010, 0x037d0200, 0x03dd0000)
    compacting perm gen  total 12288K, used 2114K [0x03dd0000, 0x049d0000, 0x07dd0000)
            the space 12288K,  17% used [0x03dd0000, 0x03fe0998, 0x03fe0a00, 0x049d0000)
No shared spaces configured.

4、动态对象年龄判断

HotSpot虚拟机并不是永远要求对象的年龄必须达到-XX：MaxTenuringThreshold才能晋升老年代，如果在Survivor空间中相同年龄所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代，无须等到-XX：MaxTenuringThreshold中要求的年龄。

private static final int _1MB = 1024 * 1024;

/**
 * VM参数：-verbose:gc -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8
   -XX:MaxTenuringThreshold=15
 * -XX:+PrintTenuringDistribution
 */
@SuppressWarnings("unused")
public static void testTenuringThreshold2() {
    byte[] allocation1, allocation2, allocation3, allocation4;
    allocation1 = new byte[_1MB / 4];  // allocation1+allocation2大于survivo空间一半
    allocation2 = new byte[_1MB / 4];
    allocation3 = new byte[4 * _1MB];
    allocation4 = new byte[4 * _1MB];
    allocation4 = null;
    allocation4 = new byte[4 * _1MB];
}

运行结果：

[GC [DefNew
Desired Survivor size 524288 bytes, new threshold 1 (max 15)
- age   1:     676824 bytes,     676824 total
: 5115K->660K(9216K), 0.0050136 secs] 5115K->4756K(19456K), 0.0050443 secs] [Times: user=0.00 sys=0.01, real=0.01 secs]
[GC [DefNew
Desired Survivor size 524288 bytes, new threshold 15 (max 15)
: 4756K->0K(9216K), 0.0010571 secs] 8852K->4756K(19456K), 0.0011009 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
Heap
    def new generation   total 9216K, used 4178K [0x029d0000, 0x033d0000, 0x033d0000)
        eden space 8192K,  51% used [0x029d0000, 0x02de4828, 0x031d0000)
        from space 1024K,   0% used [0x031d0000, 0x031d0000, 0x032d0000)
        to   space 1024K,   0% used [0x032d0000, 0x032d0000, 0x033d0000)
    tenured generation   total 10240K, used 4756K [0x033d0000, 0x03dd0000, 0x03dd0000)
            the space 10240K,  46% used [0x033d0000, 0x038753e8, 0x03875400, 0x03dd0000)
    compacting perm gen  total 12288K, used 2114K [0x03dd0000, 0x049d0000, 0x07dd0000)
        the space 12288K,  17% used [0x03dd0000, 0x03fe09a0, 0x03fe0a00, 0x049d0000)
No shared spaces configured.

5、空间分配担保

在发生Minor GC之前，虚拟机必须先检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象总空间，如果这个条件成立，那这一次Minor GC可以确保是安全的。如果不成立，则虚拟机会先查看-XX：HandlePromotionFailure参数的设置值是否允许担保失败（HandlePromotion Failure）；如果允许，那会继续检查老年代最大可用的连续空间是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小，如果大于，将尝试进行一次Minor GC，尽管这次Minor GC是有风险的；如果小于，或者-XX：HandlePromotionFailure设置不允许冒险，那这时就要改为进行一次Full GC。

关于“冒险”的解释：

新生代使用复制收集算法，但为了内存利用率，只使用其中一个Survivor空间来作为轮换备份，因此当出现大量对象在Minor GC后仍然存活的情况——最极端的情况就是内存回收后新生代中所有对象都存活，需要老年代进行分配担保，把Survivor无法容纳的对象直接送入老年代，这与生活中贷款担保类似。老年代要进行这样的担保，前提是老年代本身还有容纳这些对象的剩余空间，但一共有多少对象会在这次回收中活下来在实际完成内存回收之前是无法明确知道的，所以只能取之前每一次回收晋升到老年代对象容量的平均大小作为经验值，与老年代的剩余空间进行比较，决定是否进行Full GC来让老年代腾出更多空间。取历史平均值来比较其实仍然是一种赌概率的解决办法，也就是说假如某次Minor GC存活后的对象突增，远远高于历史平均值的话，依然会导致担保失败。如果出现了担保失败，那就只好老老实实地重新发起一次Full GC，这样停顿时间就很长了。虽然担保失败时绕的圈子是最大的，但通常情况下都还是会将-XX：HandlePromotionFailure开关打开，避免Full GC过于频繁。

private static final int _1MB = 1024 * 1024;

/**
 * VM参数：-Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8 -XX:-Handle-
   PromotionFailure
 */
@SuppressWarnings("unused")
public static void testHandlePromotion() {
    byte[] allocation1, allocation2, allocation3, allocation4, allocation5, alloca-tion6, allocation7;
    allocation1 = new byte[2 * _1MB];
    allocation2 = new byte[2 * _1MB];
    allocation3 = new byte[2 * _1MB];
    allocation1 = null;
    allocation4 = new byte[2 * _1MB];
    allocation5 = new byte[2 * _1MB];
    allocation6 = new byte[2 * _1MB];
    allocation4 = null;
    allocation5 = null;
    allocation6 = null;
    allocation7 = new byte[2 * _1MB];
}

以-XX：HandlePromotionFailure=false参数来运行的结果：

[GC [DefNew: 6651K->148K(9216K), 0.0078936 secs] 6651K->4244K(19456K), 0.0079192 secs] [Times: user=0.00 sys=0.02, real=0.02 secs]
[GC [DefNew: 6378K->6378K(9216K), 0.0000206 secs][Tenured: 4096K->4244K(10240K), 0.0042901 secs] 10474K->4244K(19456K), [Perm : 2104K->2104K(12288K)], 0.0043613 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

以-XX：HandlePromotionFailure=true参数来运行的结果：

[GC [DefNew: 6651K->148K(9216K), 0.0054913 secs] 6651K->4244K(19456K), 0.0055327 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[GC [DefNew: 6378K->148K(9216K), 0.0006584 secs] 10474K->4244K(19456K), 0.0006857 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

-XX：HandlePromotionFailure参数在实际虚拟机中已经不会再使用它。JDK 6 Update 24之后的规则变为只要老年代的连续空间大于新生代对象总大小或者历次晋升的平均大小，就会进行Minor GC，否则将进行Full GC。