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JVM内存回收机制使用及说明

JVM内存布局包括堆、栈、程序计数器和元数据区。类加载过程分加载、验证、准备、解析、初始化。双亲委派模型防止用户类覆盖系统类。垃圾回收主要在堆,通过可达性分析识别垃圾,采用分代回收,CMS和G1旨在减少STW时间。

1.JVM运行时数据区

JVM运行时数据区域,也叫JVM内存布局。很多人容易把它和Ja va内存模型搞混,其实两者完全不同。JVM内存布局由五大块组成,下面一一拆解。

JVM内存回收机制使用及说明

1.堆区(线程共享):程序中创建的所有对象都保存在堆中,这也是JVM里最大的内存区域。

2.栈(线程私有)

  • Ja va虚拟机栈:生命周期和线程相同,描述了Ja va方法执行时的内存模型。每个方法执行时都会创建一个栈帧,用来存储局部变量、方法调用关系、动态链接、方法出口等信息。
  • 本地方法栈:和虚拟机栈类似,但专门给本地方法使用,这些本地方法通常由C++编写。

3.程序计数器(线程私有):保存下一条要执行的指令的地址。注意,这里不是CPU寄存器,而是内存空间,指令是Ja va字节码,不是二进制机器语言。

4.元数据区(以前叫方法区):保存Ja va代码中涉及类的相关信息,比如类的静态属性等。

在一个Ja va进程里,元数据区和堆各只有一份,所有线程共用这同一份数据。而每个线程都有自己的程序计数器和栈,所以每个线程都需要保存自己的“程序计数器”,也需要记录自己的调用关系。

JVM内存回收机制使用及说明

来测一下掌握程度——下面这段代码中的变量,分别存在哪个区域?

public class test4 {
    static class  Test{
        private int a;
        private Test b = new Test();
        private static int c;
        private static Test d = new Test();
    }
    public static void main(String[] args) {
        int e = 10;
        Test f = new Test();
    }
}

JVM内存回收机制使用及说明

一般规律:

  • 局部变量 → 栈
  • 成员变量 → 堆
  • 静态成员变量 → 元数据区(方法区)

2.JVM类加载过程

一个类的生命周期大致可以分为以下几个阶段。

JVM内存回收机制使用及说明

写一个Ja va程序,得到的是.ja va文件,经过ja vac编译后变成.class文件。要运行Ja va进程,JVM就需要读取.class文件并执行里面的指令。

  • JVM读取.class内容的过程就是类加载——把类涉及的字节码从硬盘读到内存里。
  • 每加载一个.class文件,就会对应创建一个类对象,里面包含了该类的各种信息:类名、属性、方法、继承的父类、实现的接口等等。

具体步骤:

1.加载:找到.class文件,打开并读取内容。代码中先看到类的名字,然后进一步找到对应的.class文件,这涉及一系列目录查找过程。

2.验证:验证读到的.class文件数据是否正确、是否合法。Ja va标准文档对.class文件的格式做了明确规定。

3.准备:分配内存空间。根据读取到的内容大小,确定类对象需要的内存空间,申请这块空间并全部初始化为0。

4.解析:主要针对类中的字符串常量进行处理。Ja va虚拟机将字符串常量池中的符号引用替换为直接引用,也就是初始化常量。符号引用是.class文件中符号的位置(偏移量),直接引用则直接保存变量的地址。

JVM内存回收机制使用及说明

5.初始化:针对类对象做最终的初始化操作,执行静态成员赋值语句。

JVM内存回收机制使用及说明

3.双清委派模型

操作:输入一个类的全限定名(比如ja va.lang.String),得到对应的.class文件。这属于JVM加载类中的第一个机制——加载。

JVM内存回收机制使用及说明

  • Bootstrap ClassLoader:加载标准库中的类
  • ExtensionClassLoader:加载扩展库的类
  • ApplicationClassLoader:负责加载第三方库的类

为什么要这样设计?

核心目的是防止用户自己写的类把标准库或扩展库给覆盖掉。保证标准库的类优先级最高,扩展库其次,第三方库最后。这样能避免程序员不小心创建了一个和系统已有类重名的类,导致加载时覆盖掉系统类。

4.垃圾回收机制(GC)

GC主要发生在哪里?栈和程序计数器跟着线程结束而结束,元数据区里的类对象加载有上限,不会无限增长。所以堆是GC的主战场。垃圾回收以对象为维度进行。

JVM内存回收机制使用及说明

GC回收流程有两大步:

  • 1. 找出谁是垃圾
  • 2. 释放垃圾的内存空间

找出谁是垃圾:方案一 引用计数

给每个对象分配一个计数器,衡量有多少个引用指向它。每增加一个引用,计数器+1;每减少一个引用,计数器-1。如果计数器为0,说明这个对象是垃圾,需要回收。

JVM内存回收机制使用及说明

当对象计数器为0,就视为垃圾。但这个方案有两个问题:

1. 消耗额外空间存计数器。假设一个Test类只有一个int成员(4字节),那么还要花2个字节存计数器,内存多用了50%。

2. 循环引用会导致判定出错。比如两个对象互相引用,计数器都不为0,都无法释放。

JVM内存回收机制使用及说明

找出谁是垃圾:方案二 可达性分析

用时间换空间。JVM中专门有一个周期性的线程,扫描代码中的所有对象,判定某个对象是否“可达”。不可达的就是垃圾。具体做法是:JVM维护一个所有对象的总名单,按照名单“点名”,没到的就是垃圾;或者从一组GC Root出发,遍历所有对象,遍历不到但名单上存在的就是垃圾。

释放垃圾的内存空间

1. 标记-清除法:直接对内存空间进行标记清除,但可能导致碎片化空间无法充分利用。剩下的碎片空间不容易申请连续空间。

JVM内存回收机制使用及说明

2. 复制算法:把被回收后的空间一分为二,把不是垃圾的对象拷贝到另一侧,确保回收后得到连续空间。缺点很明显:内存利用率低,而且如果存活对象多,复制成本也很大。

JVM内存回收机制使用及说明

3. 标记-整理:和标记-清除类似,但后续不是直接回收对象,而是让所有存活对象都向前移动,最后直接清理掉边界标记的内存。

4. JVM中真正的解决方案——分代回收。

判断垃圾:JVM依据对象年龄对区域划分

对象的年龄通过可达性分析扫描来获得,每次扫描后年龄+1。

JVM内存回收机制使用及说明

  • 伊甸区:比较大,存放新创建的对象。大多数新对象活不过第一轮GC,存活下来的拷贝到幸存区。
  • 幸存区:有两个,按照复制算法将存活对象反复复制。幸存区里也会为了保留完整空间进行左右多次复制。
  • 一个对象在幸存区多次拷贝,年龄不断增长,最终会进入老年代。
  • 老年代的对象生命周期一般较长,但也要进行可达性分析,只是GC频率较低。老年代主要采用标记-整理算法。

回收垃圾方式:分代回收

分代回收是JVM GC的基本思想。JVM还提供了多种“垃圾回收器”,对分代回收做进一步扩展和实现。

JVM内存回收机制使用及说明

CMS的设计理念是把整个GC过程拆分成多个阶段,尽量和业务线程并发运行,减少STW(Stop-The-World)时间。

JVM内存回收机制使用及说明

G1则把整个内存分成很多块,不同颜色表示不同区域(新生代、老年代、幸存区等)。进行GC时不要求一个周期就把所有内存都回收,只回收一部分就好,限制一轮GC的工作量,目的是把STW控制在一定范围内,降低影响。

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