最简单例子图解JVM内存分配和回收

一、简介

JVM采用分代垃圾回收。在JVM的内存空间中把堆空间分为年老代和年轻代。将大量(据说是90%以上)创建了没多久就会消亡的对象存储在年轻代,而年老代中存放生命周期长久的实例对象。年轻代中又被分为Eden区(圣经中的伊甸园)、和两个Survivor区。新的对象分配是首先放在Eden区,Survivor区作为Eden区和Old区的缓冲,在Survivor区的对象经历若干次收集仍然存活的,就会被转移到年老区。

jvm-memory-generation

doudou-closet

简单讲,就是生命期短的对象放在一起,将少数生命期长的对象放在一起,分别采用不同的回收策略。生命

期短的对象回收频率比较高,生命期长的对象采用比较低回收频率,生命期短的对象被尝试回收几次发现还存活,则被移到另外一个地方去存起来。就像现在夏天了,勤劳的doumadoudoudouba常穿的衣服放在顺手的地方,把冬天的衣服打包放在柜子

另一个地方。虽然把doudou的小衣服类比成虚拟机里的对象有点不合适,大致意思应该就是这样。

本文中通过最简单的一个例子来demo下这个过程,代码很短,很简单,希望剖析的细一点,包括每一步操作后对象的分配和回收对内存堆产生的影响。设定上包括对堆中年轻代(年轻代中eden区和survivor区)、年老代大小的设定,以及设置阈值控制年轻代到年老代的晋升。

二、示例代码

下面是最简单的代码,通过代码的每一步的执行来剖析其中的规则。

三、执行输出

通过jvm 参数设定几个区域的大小,结合代码执行可以观察到对象在堆上分配和回收的过程。执行参数如下:

通过设这-Xms200M -Xmx200M?设置Java堆大小为200M,不可扩展,-Xmn100M设置其中100M分配给新生代,则200-100=100M,即剩下的100M分配给老年代。-XX:SurvivorRatio=8设置了新生代中eden与survivor的空间比例是8:1。

执行上述代码结果如下:

从中可以看到eden 大小为81920K, Survivor中from区域和to区域大小都是10240k。新生代总的92160K指的是eden和一个Survivor区域的和。

即原始的内存如图:

01-empty-heap

为了演示年轻代对象晋级到年老代的过程。需要设置一个VM参数, 这里设置MaxTenuringThreshold=1。前面不设置的时候,默认MaxTenuringThreshold取值15。当设置不同的阈值,jvm在内存处理会有不同。我们重点观察观察alloc1 这么小块区域在不同的MaxTenuringThreshold参数设置下的遭遇。

这时候JVM的参数中加上MaxTenuringThreshold=1如下:

可以看到输出结果是:

四、过程解析

下面观察每一步语句执行后,jvm内存的变化情况,并给出解析。

1)在执行第一个语句,alloc1分配2M空间

后,根据分代策略,在新生代的eden区分配2M的空间存储对象。

02-alloc1-allocation

2)在执行第二语句,alloc2分配50M

前面alloc1分配2M后,因为eden的80M空间还有80-2=78M还可以容纳下allocation2要求的50M空间,因此接着在eden区域分配。

03-alloc2-allocation

3)当执行第三句,alloc3分配40M

还是尝试在eden上分配,但是eden空间只剩下28M,不能容纳alloc3要求的40M空间。于是触发在新生代上的一次gc,将Eden区的存活对象转移到Survivor区。在这个里先将2M的alloc1对象存放(其实是copy,参见java 垃圾回收策略的描述)到from区,然后copy 50M的alloc2对象,显然survivor区不能容纳下alloc2对象,该对象被直接copy到年老代。需要说明的是复制到Survivor区的对象在经历一次gc后期对象年龄会被加一。

04-gc1

在eden区gc后腾出空间可以存放allocation3的40M对象,则alloc3分配40M对象如图:

05-alloc3-allocation

4)执行第四句,将alloc3置空

这是eden上alloc3分配的的40M对象则变成可被回收状态。

06-alloc3-null

5)执行第5句,对alloc重新分配60M空间

还是尝试先在eden区上分配,发现超出了eden区域的容量,则再次触发新生代上的一次gc。首先eden上分配的40M对象因为没有被再使用,则直接被回收。而根据的设置不同,这次gc的行为会稍有不同。

先看MaxTenuringThreshold不设置,即取默认值15的时候。eden区上无用的40M回收后,再考察Survivor区域的对象是否满足对象晋升老年代的年龄阈值,发现from中的2M对象,年龄是1,不满足晋升条件,则不被处理,只是把Survivor区域的经历这次回收未被处理的对象age加一,即新的age为2.如图:

07-gc2(no-threshold)

通过输出日志也显示:经过这次回收年轻代大小,由43114K变为2184k,总的大小由94344k变为53384k,即反映出回收了40M无用对象。

在年轻代上gc后腾出空间后,新的alloc3的60M空间被分配到eden 区域上。分配后堆如下:

09-alloc3-reallocation(no threshold)

以上是不设置晋升阈值MaxTenuringThreshold情况下进行的gc,以及gc后alloc3的分配。

再看看当MaxTenuringThreshold设置为1的情况。同样eden区上无用的40M回收后,再考察Survivor区域的对象是否满足对象晋升老年代的年龄阈值,发现from中的2M对象,年龄是1,满足晋升条件,则Survivor区域满足年龄的对象被拷贝到年老区。

08-gc2(threshold=1)

通过日志显示年轻代的大小被清0了,表示survivor的存活对象因为满足晋升条件被移到被移到年老代了。

同样的,gc完后会在eden上分配空间来存储alloc3对象,这种情况下堆结构如图:

10-alloc3-reallocation(threshold=1)

 

比较上面两个图,发现差别就仅仅在于survivor中的2M对象是否被认为生存时间足够长科院被移到年老代中去。从上面日志高亮部分from区域的最终存储也可反映出了这个差别。

比较前面两个日志可以看到:总的大小和上面设置和不设置MaxTenuringThreshold(其实是MaxTenuringThreshold设置1还是15)没有关系,都是由94344k变为53384k,即都是回收了40M eden区域无用对象。第N次gc时存活的满足晋升条件则由survivor移到年老代,不满足的还留在survivor区域,堆的总的大小没有变。

五、最后

上面通过最简单的例子示意了下在jvm堆上对象是如果分配的,当空间不足时,是如何调整回收的。希望可以对jvm的堆上结构和gc思路有个基本的了解。当然相关参数(其实反映的是机制)远比这个复杂,有挺多细节,更多的是在实践中来体会。

附:主要参数

JVM启动设置的参数很多,可以参照中Java HotSpot VM Options说明。例子中涉及的是最最基础的参数,这里只是对涉及到的几个参数进行说明。

参数名称 含义 默认值 说明
-Xms 初始堆大小 物理内存的1/64(<1GB) 默认(MinHeapFreeRatio参数可以调整)空余堆内存小于40%时,JVM就会增大堆直到-Xmx的最大限制.
-Xmx 最大堆大小 物理内存的1/4(<1GB) 默认(MaxHeapFreeRatio参数可以调整)空余堆内存大于70%时,JVM会减少堆直到 -Xms的最小限制
-Xmn 年轻代大小 注意:此处的大小是(eden+ 2 survivor space).与jmap -heap中显示的New gen是不同的。
整个堆大小=年轻代大小 + 年老代大小 + 持久代大小.
增大年轻代后,将会减小年老代大小.此值对系统性能影响较大,Sun官方推荐配置为整个堆的3/8
-XX:SurvivorRatio Eden区与Survivor区的大小比值 设置为8,则两个Survivor区与一个Eden区的比值为2:8,一个Survivor区占整个年轻代的1/10
-XX:+PrintGC 开启GC日志打印 默认不启用 开启GC日志打印。打印格式例如:
[Full GC 131115K->7482K(1015808K), 0.1633180 secs]
该选项可通过?com.sun.management.HotSpotDiagnosticMXBean API?和?Jconsole?动态启用。
详见?http://java.sun.com/developer/technicalArticles/J2SE/monitoring/#Heap_Dump
-XX:+PrintGCDetails 打印GC回收的细节。 1.4.0引入,默认不启用 打印格式例如:
[Full GC (System) [Tenured: 0K->2394K(466048K), 0.0624140 secs] 30822K->2394K(518464K), [Perm : 10443K->10443K(16384K)], 0.0625410 secs] [Times: user=0.05 sys=0.01, real=0.06 secs]
该选项可通过?com.sun.management.HotSpotDiagnosticMXBean API?和?Jconsole?动态启用
详见?http://java.sun.com/developer/technicalArticles/J2SE/monitoring/#Heap_Dump
XX:+PrintTenuringDistribution 查看每次minor GC后新的存活周期的阈值 打印对象的存活期限信息。打印格式例如:
[GC
Desired survivor size 4653056 bytes, new threshold 32 (max 32)
- age 1: 2330640 bytes, 2330640 total
- age 2: 9520 bytes, 2340160 total
204009K->21850K(515200K), 0.1563482 secs]
Age1 2表示在第1和2次GC后存活的对象大小。
-XX:MaxTenuringThreshold 垃圾最大年龄。Survivor区经过该阈值次回收依然存活的对象会被移到年老代。 如果设置为0的话,则年轻代对象不经过Survivor区,直接进入年老代. 对于年老代比较多的应用,可以提高效率.如果将此值设置为一个较大值,则年轻代对象会在Survivor区进行多次复制,这样可以增加对象再年轻代的存活 时间,增加在年轻代即被回收的概率

附配图可编辑件:jvm-allocation-and-gc

 

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3 Responses to 最简单例子图解JVM内存分配和回收

  1. zqzhao5 2017年7月18日 at 下午2:50 #

    非常感谢!但是我运行的时候发现打出来的GC log和文章里的不一样,看了下日志发现运行时使用的是ParallelGC,可能JVM会根据硬件、分配内存大小选择不一样的GC策略吧。强制使用SerialGC即可:  -XX:+UseSerialGC

  2. tzp 2016年3月2日 at 下午10:19 #

    简单易懂,灰常感谢!

  3. idouba 2015年7月9日 at 下午2:05 #

    粗心,写错了 -XX:SurvivorRatio表示eden与一个survivor区的空间比率。当设置了-XX:SurvivorRatio=8则表示新生代中eden与survivor的空间比例是8:1,共有两个Survivor区,则一个Survivor区占整个年轻代的1/10

    文章在其他引用的地方:http://ifeve.com/a-simple-example-demo-jvm-allocation-and-gc/comment-page-1/#comment-26257?被指出爱错误

    “-XX:SurvivorRatio=8设置了新生代中eden与survivor的空间比例是1:8”是不是应该是8:1。

    文中已经修改,谢谢指正。

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