JVM 内存管理、垃圾回收
JVM内存管理、垃圾回收
引言
Java虚拟机(JVM)是Java程序的运行环境,它负责将Java字节码翻译成机器码并执行。JVM内存管理和垃圾回收是Java的关键特性之一,它们负责管理应用程序在运行过程中所使用的内存,以便提供良好的性能和可靠性。
JVM内存模型
JVM的内存模型可以分为以下几个部分:
1. 堆(Heap)
堆是JVM内存模型中最大的一块区域,用于存储对象实例和数组。所有通过new
关键字创建的对象都存储在堆中。堆内存在JVM启动时被分配,并在运行过程中动态地扩展和收缩。
堆内存可以进一步细分为以下两个区域:
新生代(Young Generation):新生代是堆内存的一部分,用于存储新创建的对象。在新生代中,又分为三个部分:Eden空间、Survivor空间From和Survivor空间To。大部分对象在新生代被创建,并且大多数对象很快就会变成垃圾。
老年代(Old Generation):老年代是堆内存的一部分,用于存储长时间存活的对象。当对象在新生代经过多次垃圾回收后仍然存活,它们将被晋升到老年代。
2. 方法区(Method Area)/元空间(Metaspace)
方法区在Java 8以及之前的版本中被称为永久代(Permanent Generation),但在Java 8之后的版本中被元空间(Metaspace)所取代。方法区/元空间用于存储类的元数据信息,例如类的结构、字段、方法代码等。
在方法区/元空间中,存储以下信息:
类的元数据(Class Metadata):每个类在JVM中都有相应的元数据信息,例如类名、父类、接口、字段、方法等。
常量池(Constant Pool):常量池用于存储编译时生成的各种字面量常量和符号引用。
静态变量(Static Variables):静态变量是类级别的变量,存储在方法区/元空间中。
3. 栈(Stack)
每个线程在运行时都会创建一个栈,用于存储局部变量、方法调用和返回等信息。每个方法在调用时都会创建一个栈帧(Stack Frame),栈帧包含了方法的参数、局部变量以及方法的返回地址等信息。栈帧在方法调用完成后被销毁。
栈内存的分配和释放是自动进行的,它的大小和生命周期都与线程相关。栈内存中存储的是基本类型的变量和对象的引用,而对象本身存储在堆中。
4. 程序计数器(Program Counter Register)
程序计数器是一个较小的内存区域,用于存储当前线程执行的字节码指令地址。每个线程都有自己独立的程序计数器,用于记录当前线程执行的位置。程序计数器在线程之间切换时被更新。
程序计数器在线程切换、方法调用和循环跳转等场景下起着重要的作用,保证了线程的独立执行和恢复执行。
5. 本地方法栈(Native Method Stack)
本地方法栈与栈类似,但用于执行本地方法(即使用其他语言编写的方法)。它的作用类似于栈,用于存储本地方法的参数和局部变量。
本地方法栈在调用本地方法时被创建,随着本地方法的执行而释放。
对象的生命周期
在Java中,对象的生命周期是指对象从创建到销毁的整个过程。JVM负责管理对象的生命周期,包括对象的创建、使用和销毁。下面将详细介绍Java 8下JVM中对象的生命周期。
1. 对象的创建
当我们在Java程序中使用关键字new
创建一个对象时,JVM会按照以下步骤来完成对象的创建过程:
类加载:在使用一个类之前,JVM会先对该类进行加载。类加载的过程包括加载、验证、准备和解析等步骤。加载阶段将字节码加载到内存中,并生成对应的类对象。
分配内存:在类加载完成后,JVM会在堆内存中为对象分配内存空间。在Java 8中,堆内存分为新生代和老年代两个区域。新创建的对象通常会被分配到新生代的Eden空间。
初始化:在分配内存后,JVM会对对象进行初始化。这包括设置对象的默认值和执行构造函数。在此阶段,对象的成员变量会被赋予默认值,然后调用构造函数来完成对象的初始化。
引用赋值:初始化完成后,将对象的引用返回给程序的其他部分。通过引用,程序可以操作和访问该对象。
2. 对象的使用
一旦对象被创建并引用后,它就可以被程序使用。对象的使用包括对其进行访问、操作和调用其方法等。
在对象的使用过程中,可以通过对象的引用来访问和修改对象的成员变量,调用对象的方法等。对象的使用过程是程序的主要逻辑所在,通过操作对象来实现所需的功能。
对象在使用过程中可以被多个部分引用和共享。在多线程环境下,多个线程可以同时访问同一个对象,因此需要注意线程安全的问题。
3. 对象的终结
对象的终结是指对象不再被使用时的状态,也称为对象的销毁过程。
JVM通过垃圾回收机制来自动管理不再使用的对象,释放它们占用的内存资源。
垃圾回收:当对象不再被引用时,垃圾回收器会将其标记为垃圾对象。垃圾回收器会周期性地运行,并根据特定的算法和策略来识别和回收垃圾对象。在Java 8中,主要使用的垃圾回收算法有标记-清除算法、复制算法、标记-整理算法和分代回收算法等。
回收对象内存:当垃圾回收器确定一个对象是垃圾对象后,它会回收该对象占用的内存空间。对于新生代的对象,一般使用复制算法进行回收,将存活的对象复制到存活区域;对于老年代的对象,一般使用标记-清除算法或标记-整理算法进行回收。
对象销毁:当垃圾回收器回收了一个对象的内存空间后,该对象会被销毁。销毁对象时,垃圾回收器会调用对象的
finalize()
方法(如果存在),在该方法中进行一些清理工作。然后,对象会被从内存中彻底释放。
需要注意的是,对象的终结并不意味着对象被立即销毁。对象的终结是由垃圾回收器控制的,具体的销毁时机是由垃圾回收器的算法和策略决定的。
垃圾回收算法
JVM通过垃圾回收算法来自动回收不再使用的内存,以减少内存泄漏和资源浪费。
1. 标记-清除算法(Mark and Sweep)
标记-清除算法是最基础的垃圾回收算法,它分为两个阶段:标记阶段和清除阶段。
标记阶段:从根对象(一般是一组根节点,如栈中的引用、静态变量等)开始,通过可达性分析,遍历所有被引用的对象,并对它们进行标记。标记的方法可以通过在对象头中添加标记位或标记表等方式来实现。
清除阶段:在标记阶段之后,所有未被标记的对象就被认为是垃圾对象。在清除阶段,垃圾回收器会遍历整个堆,回收未被标记的垃圾对象占用的内存空间,并将这些内存空间加入空闲列表中以备下次分配使用。
标记-清除算法的优点是可以回收任意形式的垃圾对象,但缺点是在清除阶段需要遍历整个堆,效率较低,并且清除后会产生内存碎片,可能影响到后续对象的分配。
2. 复制算法(Copying)
复制算法是为了解决标记-清除算法中的内存碎片问题而提出的一种垃圾回收算法,它将堆内存分为两个大小相等的区域,一半为From空间,一半为To空间。
对象存活判定:在进行垃圾回收时,只需要考虑From空间中的对象。初始时,所有存活的对象都位于From空间。
标记-复制:垃圾回收器从根对象开始进行标记阶段,将所有可达的存活对象复制到To空间,并在复制过程中对引用进行相应的更新。
角色交换:完成复制后,From空间中的对象变为垃圾对象,可以直接被回收,而To空间则成为新的活动空间。
复制算法具有简单高效的特点,避免了内存碎片问题,但也存在一些缺点。首先,需要额外的空间来存储复制过程中的存活对象,导致有效堆内存的减少。其次,复制算法在存活对象较多时,复制的成本会增加。
3. 标记-整理算法(Mark and Compact)
标记-整理算法是一种综合了标记-清除算法和复制算法的垃圾回收算法,它也分为标记阶段和整理阶段。
标记阶段:与标记-清除算法相同,从根对象开始进行可达性分析,标记所有存活对象。
整理阶段:在整理阶段,垃圾回收器会将所有存活对象向一端移动,然后直接回收剩余的空间。这样,所有存活对象会被紧凑地排列在一起,形成连续的空闲空间,从而消除了内存碎片。
标记-整理算法相对于标记-清除算法来说,减少了内存碎片的产生,但仍然需要进行两次扫描,对于堆中的所有对象进行标记和整理操作,因此在效率上略低于复制算法。
4. 分代回收算法(Generational)
分代回收算法是一种基于对象生命周期的垃圾回收算法,它根据对象的存活时间将堆内存划分为不同的代(Generation)。一般将堆内存划分为新生代(Young Generation)和老年代(Old Generation)两个代。
新生代:新创建的对象首先被分配到新生代,它们的生命周期通常较短。新生代采用复制算法进行垃圾回收,通过频繁的回收来保证内存的有效利用。
老年代:经过多次垃圾回收仍然存活的对象会被晋升到老年代。老年代采用标记-清除算法或标记-整理算法进行垃圾回收,减少回收的频率,提高回收的效率。
分代回收算法利用了对象的特点,根据对象的存活时间和存活率的差异,对不同代采用不同的垃圾回收算法,以达到更高的垃圾回收效率。
垃圾回收器
垃圾回收器是Java虚拟机(JVM)中负责进行垃圾回收的组件。在选择垃圾回收器时,需要考虑应用程序的性能需求、内存大小、延迟要求和硬件环境等因素。Java 8中主要提供了以下几种垃圾回收器,下面将对它们进行比较和选择的指导:
1. Serial回收器(Serial Garbage Collector)
Serial回收器是一种单线程的垃圾回收器,它使用标记-复制算法来进行新生代的垃圾回收。它适用于小型或简单的应用程序,具有以下特点:
优点:简单高效,适用于单核或低并发的环境,对于较小的堆内存和资源受限的设备比较合适。
缺点:垃圾回收期间会暂停应用程序的执行,不适用于大型应用程序和需要低延迟的场景。
2. Parallel回收器(Parallel Garbage Collector)
Parallel回收器是一种多线程的垃圾回收器,它使用标记-复制算法或标记-整理算法来进行新生代和老年代的垃圾回收。它适用于需要高吞吐量的应用程序,具有以下特点:
优点:通过使用多线程进行并行垃圾回收,可以提高垃圾回收的效率和吞吐量,适用于对响应时间要求相对较低的场景。
缺点:在垃圾回收期间会暂停应用程序的执行,可能导致一定的延迟,并且会消耗更多的系统资源。
3. CMS回收器(Concurrent Mark Sweep Garbage Collector)
CMS回收器是一种并发的垃圾回收器,它使用标记-清除算法或标记-整理算法来进行老年代的垃圾回收。它适用于对延迟要求较高的应用程序,具有以下特点:
优点:通过与应用程序并发执行,减少了垃圾回收导致的停顿时间,适用于对响应时间要求较高的场景。
缺点:在垃圾回收期间会占用一部分CPU资源,并可能导致内存碎片问题,可能会影响到应用程序的吞吐量。
4. G1回收器(Garbage First Garbage Collector)
G1回收器是一种面向服务器的垃圾回收器,它使用标记-整理算法来进行整个堆内存的垃圾回收。它适用于大内存和低延迟要求的应用程序,具有以下特点:
优点:通过划分为多个独立的内存区域(Region),可以将垃圾回收的工作分散到不同的区域并并发进行,以达到更低的停顿时间。
缺点:相比于其他回收器,G1回收器在低内存和高并发情况下的性能可能较差。
如何选择回收器
在选择垃圾回收器时,可以根据应用程序的性能需求和硬件环境进行权衡。一般建议的选择策略如下:
- 如果应用程序对吞吐量要求较高,可以选择Parallel回收器。
- 如果应用程序对延迟要求较高,可以选择CMS回收器或G1回收器。
- 如果应用程序是简单小型的,可以选择Serial回收器。
需要注意的是,选择合适的垃圾回收器还需要考虑其他因素,如内存大小、硬件配置、应用程序的特点等。在实际应用中,可以通过JVM参数进行回收器的选择和调优。
JVM内存管理策略
JVM内存管理涉及到堆内存的划分、垃圾回收的触发和调优等方面。以下是一些常见的JVM内存管理策略:
1. 堆内存划分
在JVM启动时,可以通过命令行参数来设置堆内存的初始大小和最大大小。例如,可以使用-Xms
参数设置初始堆大小,使用-Xmx
参数设置最大堆大小。合理设置堆内存大小可以避免频繁的垃圾回收和OutOfMemoryError。
2. 垃圾回收触发
JVM根据不同的垃圾回收器和内存区域来确定垃圾回收的触发条件。例如,新生代的垃圾回收通常在新生代空间占用满时触发,而老年代的垃圾回收通常在老年代空间占用满时触发。可以通过调整触发条件来平衡吞吐量和停顿时间。
3. 垃圾回收调优
JVM提供了许多与垃圾回收相关的参数,可以用于调优垃圾回收器的行为。例如,可以通过调整垃圾回收的线程数、回收阈值、回收比例等参数来优化垃圾回收的性能。此外,还可以使用工具如VisualVM、JConsole等来监控和分析垃圾回收的情况,以便及时发现和解决性能问题。
总结
Java 8下的JVM内存管理和垃圾回收是Java程序性能和可靠性的关键因素之一。JVM使用垃圾回收算法和垃圾回收器来管理内存和回收不再使用的对象。标记-清除算法和复制算法是两种常见的垃圾回收算法,而Parallel Scavenge和Parallel Old是Java 8默认使用的垃圾回收器。
合理的JVM内存管理策略可以提高程序的性能和稳定性,通过调整堆内存划分、垃圾回收触发和垃圾回收调优等参数来优化垃圾回收器的行为。对于特定的应用场景,还可以选择合适的垃圾回收器来满足性能需求。