Java 内存模型及GC原理

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一个优秀Java程序员,必须了解Java内存模型、GC工作原理,以及如何优化GC的性能、与GC进行有限的交互,有一些应用程序对性能要求较高,例如嵌入式系统、实时系统等,只有全面提升内存的管理效率,才能提高整个应用程序的性能。

本文将从JVM内存模型、GC工作原理,以及GC的几个关键问题进行探讨,从GC角度提高Java程序的性能。

一、Java内存模型

按照官方的说法:Java 虚拟机具有一个堆,堆是运行时数据区域,所有类实例和数组的内存均从此处分配。

JVM主要管理两种类型内存:堆和非堆,堆内存(Heap Memory)是在 Java 虚拟机启动时创建,非堆内存(Non-heap Memory)是在JVM堆之外的内存。

简单来说,堆是Java代码可及的内存,留给开发人员使用的;非堆是JVM留给自己用的,包含方法区、JVM内部处理或优化所需的内存(如 JIT Compiler,Just-in-time Compiler,即时编译后的代码缓存)、每个类结构(如运行时常数池、字段和方法数据)以及方法和构造方法的代码。

JVM 内存包含如下几个部分:

  • 堆内存(Heap Memory): 存放Java对象
  • 非堆内存(Non-Heap Memory): 存放类加载信息和其它meta-data
  • 其它(Other): 存放JVM 自身代码等

Java 内存模型及GC原理

在JVM启动时,就已经保留了固定的内存空间给Heap内存,这部分内存并不一定都会被JVM使用,但是可以确定的是这部分保留的内存不会被其他进程使用,这部分内存大小由-Xmx 参数指定。而另一部分内存在JVM启动时就分配给JVM,作为JVM的初始Heap内存使用,这部分内存是由 -Xms 参数指定。


详细配置文件目录:eclipse/eclipse.ini

Java 内存模型及GC原理

默认空余堆内存小于40%时,JVM 就会增大堆直到-Xmx 的最大限制,可以由 -XX:MinHeapFreeRatio 指定。 

默认空余堆内存大于70%时,JVM 会减少堆直到-Xms的最小限制,可以由  -XX:MaxHeapFreeRatio   指定,详见

可以通过 -XX:MaxPermSize 设置Non-Heap大小,详细参见我的百度博客

二、Java内存分配

Java的内存管理实际上就是变量和对象的管理,其中包括对象的分配和释放。

Java 内存模型及GC原理

JVM内存申请过程如下:

  1. JVM 会试图为相关Java对象在Eden中初始化一块内存区域
  2. 当Eden空间足够时,内存申请结束;否则到下一步
  3. JVM 试图释放在Eden中所有不活跃的对象(这属于1或更高级的垃圾回收),释放后若Eden空间仍然不足以放入新对象,则试图将部分Eden中活跃对象放入Survivor区
  4. Survivor区被用来作为Eden及OLD的中间交换区域,当OLD区空间足够时,Survivor区的对象会被移到Old区,否则会被保留在Survivor区
  5. 当OLD区空间不够时,JVM 会在OLD区进行完全的垃圾收集(0级)
  6. 完全垃圾收集后,若Survivor及OLD区仍然无法存放从Eden复制过来的部分对象,导致JVM无法在Eden区为新对象创建内存区域,则出现”out of memory”错误

三、GC基本原理

GC(Garbage Collection),是JAVA/.NET中的垃圾收集器。

Java是由C++发展来的,它摈弃了C++中一些繁琐容易出错的东西,引入了计数器的概念,其中有一条就是这个GC机制(C#借鉴了JAVA)

编 程人员容易出现问题的地方,忘记或者错误的内存回收会导致程序或系统的不稳定甚至崩溃,Java提供的GC功能可以自动监测对象是否超过作用域从而达到自 动回收内存的目的,Java语言没有提供释放已分配内存的显示操作方法。所以,Java的内存管理实际上就是对象的管理,其中包括对象的分配和释放。

对于程序员来说,分配对象使用new关键字;释放对象时,只要将对象所有引用赋值为null,让程序不能够再访问到这个对象,我们称该对象为"不可达的".GC将负责回收所有"不可达"对象的内存空间。

对 于GC来说,当程序员创建对象时,GC就开始监控这个对象的地址、大小以及使用情况。通常,GC采用有向图的方式记录和管理堆(heap)中的所有对象。 通过这种方式确定哪些对象是"可达的",哪些对象是"不可达的".当GC确定一些对象为"不可达"时,GC就有责任回收这些内存空间。但是,为了保证 GC能够在不同平台实现的问题,Java规范对GC的很多行为都没有进行严格的规定。例如,对于采用什么类型的回收算法、什么时候进行回收等重要问题都没 有明确的规定。因此,不同的JVM的实现者往往有不同的实现算法。这也给Java程序员的开发带来行多不确定性。本文研究了几个与GC工作相关的问题,努 力减少这种不确定性给Java程序带来的负面影响。

四、GC分代划分

JVM内存模型中Heap区分两大块,一块是 Young Generation,另一块是Old Generation

Java 内存模型及GC原理

1) 在Young Generation中,有一个叫Eden Space的空间,主要是用来存放新生的对象,还有两个Survivor Spaces(from、to),它们的大小总是一样,它们用来存放每次垃圾回收后存活下来的对象。

2) 在Old Generation中,主要存放应用程序中生命周期长的内存对象。

3) 在Young Generation块中,垃圾回收一般用Copying的算法,速度快。每次GC的时候,存活下来的对象首先由Eden拷贝到某个SurvivorSpace,当Survivor Space空间满了后,剩下的live对象就被直接拷贝到OldGeneration中去。因此,每次GC后,Eden内存块会被清空。

4) 在Old Generation块中,垃圾回收一般用mark-compact的算法,速度慢些,但减少内存要求。

5) 垃圾回收分多级,0级为全部(Full)的垃圾回收,会回收OLD段中的垃圾;1级或以上为部分垃圾回收,只会回收Young中的垃圾,内存溢出通常发生于OLD段或Perm段垃圾回收后,仍然无内存空间容纳新的Java对象的情况。

五、增量式GC

增量式GC(Incremental GC),是GC在JVM中通常是由一个或一组进程来实现的,它本身也和用户程序一样占用heap空间,运行时也占用CPU。

当 GC进程运行时,应用程序停止运行。因此,当GC运行时间较长时,用户能够感到Java程序的停顿,另外一方面,如果GC运行时间太短,则可能对象回收率 太低,这意味着还有很多应该回收的对象没有被回收,仍然占用大量内存。因此,在设计GC的时候,就必须在停顿时间和回收率之间进行权衡。一个好的GC实现 允许用户定义自己所需要的设置,例如有些内存有限的设备,对内存的使用量非常敏感,希望GC能够准确的回收内存,它并不在意程序速度的快慢。另外一些实时 网络游戏,就不能够允许程序有长时间的中断。

增量式GC就是通过一定的回收算法,把一个长时间的中断,划分为很多个小的中断,通过这种方式减少GC对用户程序的影响。虽然,增量式GC在整体性能上可能不如普通GC的效率高,但是它能够减少程序的最长停顿时间。

Sun JDK提供的HotSpot JVM就能支持增量式GC。HotSpot JVM缺省GC方式为不使用增量GC,为了启动增量GC,我们必须在运行Java程序时增加-Xincgc的参数。

HotSpot JVM增量式GC的实现是采用Train GC算法,它的基本想法就是:将堆中的所有对象按照创建和使用情况进行分组(分层),将使用频繁高和具有相关性的对象放在一队中,随着程序的运行,不断对 组进行调整。当GC运行时,它总是先回收最老的(最近很少访问的)的对象,如果整组都为可回收对象,GC将整组回收。这样,每次GC运行只回收一定比例的 不可达对象,保证程序的顺畅运行。

六、详解函数finalize

finalize 是位于Object类的一个方法,详见我的开源项目:src-jdk1.7.0_02

protected void finalize() throws Throwable { }

该方法的访问修饰符为protected,由于所有类为Object的子类,因此用户类很容易访问到这个方法。

由 于,finalize函数没有自动实现链式调用,我们必须手动的实现,因此finalize函数的最后一个语句通常是 super.finalize()。通过这种方式,我们可以实现从下到上实现finalize的调用,即先释放自己的资源,然后再释放父类的资源。根据 Java语言规范,JVM保证调用finalize函数之前,这个对象是不可达的,但是JVM不保证这个函数一定会被调用。另外,规范还保证 finalize函数最多运行一次。

很多Java初学者会认为这个方法类似与C++中的析构函数,将很多对象、资源的释放都放在这一函数里面。其实,这不是一种很好的方式,原因有三:

其一、GC为了能够支持finalize函数,要对覆盖这个函数的对象作很多附加的工作。

其二、在finalize运行完成之后,该对象可能变成可达的,GC还要再检查一次该对象是否是可达的。因此,使用 finalize会降低GC的运行性能。

其三、由于GC调用finalize的时间是不确定的,因此通过这种方式释放资源也是不确定的。

通 常,finalize用于一些不容易控制、并且非常重要资源的释放,例如一些I/O的操作,数据的连接。这些资源的释放对整个应用程序是非常关键的。在这 种情况下,程序员应该以通过程序本身管理(包括释放)这些资源为主,以finalize函数释放资源方式为辅,形成一种双保险的管理机制,而不应该仅仅依 靠finalize来释放资源。

下面给出一个例子说明,finalize函数被调用以后,仍然可能是可达的,同时也可说明一个对象的finalize只可能运行一次。

class MyObject {
Test main;
// 记录Test对象,在finalize中时用于恢复可达性
public MyObject(Test t) {
main = t;   // 保存Test 对象
}
protected void finalize() {
main.ref = this;
// 恢复本对象,让本对象可达
System.out.println("This is finalize");
// 用于测试finalize只运行一次
}
}
class Test {
MyObject ref;
public static void main(String[] args) {
Test test = new Test();
test.ref = new MyObject(test);
test.ref = null;
// MyObject对象为不可达对象,finalize将被调用
System.gc();
if (test.ref != null)
System.out.println("My Object还活着");
}
}  

    运行结果:

            This is finalize

            My Object还活着

    此例子中需要注意,虽然MyObject对象在finalize中变成可达对象,但是下次回收时候,finalize却不再被调用,因为finalize函数最多只调用一次。

    七、GC程序交互

    程序如何与GC进行交互呢? Java2增强了内存管理功能,增加了一个java.lang.ref包,详见我的开源项目:src-jdk1.7.0_02

    其中定义了三种引用类。这三种引用类分别为:SoftReference、 WeakReference、 PhantomReference

    通过使用这些引用类,程序员可以在一定程度与GC进行交互,以便改善GC的工作效率,这些引用类的引用强度介于可达对象和不可达对象之间。

    创 建一个引用对象也非常容易,例如:如果你需要创建一个Soft Reference对象,那么首先创建一个对象,并采用普通引用方式(可达对象);然后再创建一个SoftReference引用该对象;最后将普通引用 设置为null。通过这种方式,这个对象就只有一个Soft Reference引用。同时,我们称这个对象为Soft Reference 对象。

    Soft Reference的主要特点是据有较强的引用功能。只有当内存不够的时候,才进行回收这类内存,因此在内存足够的时候,它们通常不被回收。另外,这些引 用对象还能保证在Java抛出OutOfMemory 异常之前,被设置为null。它可以用于实现一些常用图片的缓存,实现Cache的功能,保证最大限度的使用内存而不引起OutOfMemory。以下给 出这种引用类型的使用伪代码:

    // 申请一个图像对象
    Image image=new Image();
    // 创建Image对象
    …
    // 使用 image
    …
    // 使用完了image,将它设置为soft 引用类型,并且释放强引用;
    SoftReference sr=new SoftReference(image);
    image=null;
    …
    // 下次使用时
    if (sr!=null)
    image=sr.get();
    else{
    image=new Image();  //由于GC由于低内存,已释放image,因此需要重新装载;
    sr=new SoftReference(image);
    }  

      Weak 引用对象与Soft引用对象的最大不同就在于:GC在进行回收时,需要通过算法检查是否回收Soft引用对象,而对于Weak引用对象,GC总是进行回 收。Weak引用对象更容易、更快被GC回收。虽然,GC在运行时一定回收Weak对象,但是复杂关系的Weak对象群常常需要好几次GC的运行才能完 成。Weak引用对象常常用于Map结构中,引用数据量较大的对象,一旦该对象的强引用为null时,GC能够快速地回收该对象空间。

      Phantom 引用的用途较少,主要用于辅助finalize函数的使用。Phantom对象指一些对象,它们执行完了finalize函数,并为不可达对象,但是它们 还没有被GC回收。这种对象可以辅助finalize进行一些后期的回收工作,我们通过覆盖Reference的clear()方法,增强资源回收机制的 灵活性。

      八、Java编程建议

      根据GC的工作原理,我们可以通过一些技巧和方式,让GC运行更加有效率,更加符合应用程序的要求。一些关于程序设计的几点建议:

      1) 最基本的建议就是尽早释放无用对象的引用。大多数程序员在使用临时变量的时候,都是让引用变量在退出活动域(scope)后,自动设置为 null.我们在使用这种方式时候,必须特别注意一些复杂的对象图,例如数组,队列,树,图等,这些对象之间有相互引用关系较为复杂。对于这类对象,GC 回收它们一般效率较低。如果程序允许,尽早将不用的引用对象赋为null,这样可以加速GC的工作。

      2)尽量少用finalize函数。finalize函数是Java提供给程序员一个释放对象或资源的机会。但是,它会加大GC的工作量,因此尽量少采用finalize方式回收资源。

      3)如果需要使用经常使用的图片,可以使用soft应用类型。它可以尽可能将图片保存在内存中,供程序调用,而不引起OutOfMemory.

      4)注意集合数据类型,包括数组,树,图,链表等数据结构,这些数据结构对GC来说,回收更为复杂。另外,注意一些全局的变量,以及一些静态变量。这些变量往往容易引起悬挂对象(dangling reference),造成内存浪费。

      5)当程序有一定的等待时间,程序员可以手动执行System.gc(),通知GC运行,但是Java语言规范并不保证GC一定会执行。使用增量式GC可以缩短Java程序的暂停时间。

      来自:http://blog.csdn.net/ithomer/article/details/6252552

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