2、JVM内存模型

烟雨 5年前 (2021-06-10) 阅读数 676 #JVM
文章标签 JVM

 一、JVM整体结构及内存模型

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 二、JVM内存参数设置

image.png

java ‐Xms2048M ‐Xmx2048M ‐Xmn1024M ‐Xss512K ‐XX:MetaspaceSize=256M ‐XX:MaxMetaspaceSize=256M ‐jar microservice‐eureka‐server.jar

2.1、常用JVM参数

-Xss:每个线程的栈大小(-Xss设置越小count值越小,说明一个线程栈里能分配的栈帧就越少,但是对JVM整体来说能开启的线程数会更多)。
-Xms:设置堆的初始可用大小,默认物理内存的1/64。
-Xmx:设置堆的最大可用大小,默认物理内存的1/4。
-Xmn:新生代大小。
-XX:NewRatio:默认2表示新生代占年老代的1/2,占整个堆内存的1/3。
-XX:SurvivorRatio:默认8表示一个survivor区占用1/8的Eden内存,即1/10的新生代内存。
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
关于元空间的JVM参数有两个:-XX:MetaspaceSize=N和 -XX:MaxMetaspaceSize=N
-XX:MaxMetaspaceSize: 设置元空间最大值, 默认是-1, 即不限制, 或者说只受限于本地内存大小。
-XX:MetaspaceSize: 指定元空间触发Fullgc的初始阈值(元空间无固定初始大小), 以字节为单位,默认是21M左右,达到该值就会触发full gc进行类型卸载, 同时收集器会对该值进行调整: 如果释放了大量的空间, 就适当降低该值; 如果释放了很少的空间, 那么在不超过-XX:MaxMetaspaceSize(如果设置了的话) 的情况下, 适当提高该值。这个跟早期jdk版本的-XX:PermSize参数意思不一样,-XX:PermSize代表永久代的初始容量。
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
由于调整元空间的大小需要Full GC,这是非常昂贵的操作,如果应用在启动的时候发生大量Full GC,通常都是由于永久代或元空间发生了大小调整,基于这种情况,一般建议在JVM参数中将MetaspaceSize和MaxMetaspaceSize设置成一样的值,并设置得比初始值要大,对于8G物理内存的机器来说,一般我会将这两个值都设置为256M。

2.2、在minor gc过程中对象挪动后,引用如何修改?

对象在堆内部挪动的过程其实是复制,原有区域对象还在,一般不直接清理,JVM内部清理过程只是将对象分配指针移动到区域的头位置即可,比如扫描s0区域,扫到gcroot引用的非垃圾对象是将这些对象复制到s1或老年代,最后扫描完了将s0区域的对象分配指针移动到区域的起始位置即可,s0区域之前对象并不直接清理,当有新对象分配了,原有区域里的对象也就被清除了。
minor gc在根扫描过程中会记录所有被扫描到的对象引用(在年轻代这些引用很少,因为大部分都是垃圾对象不会扫描到),如果引用的对象被复制到新地址了,最后会一并更新引用指向新地址。

三、JVM内存分配机制

3.1、对象的创建

image.png

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3.1.1、类加载检查
虚拟机遇到一条new指令时,首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用,并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有,那必须先执行相应的类加载过程。
new指令对应到语言层面上讲是,new关键词、对象克隆、对象序列化等。

3.1.2、内存分配

在类加载检查通过后,接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类 加载完成后便可完全确定,为对象分配空间的任务等同于把 一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。
这个步骤有两个问题:
  1. 如何划分内存?

  2. 在并发情况下, 可能出现正在给对象A分配内存,指针还没来得及修改,对象B又同时使用了原来的指针来分配内存的情况?

划分内存的方法:
  • “指针碰撞”(Bump the Pointer)(默认用指针碰撞)

如果Java堆中内存是绝对规整的,所有用过的内存都放在一边,空闲的内存放在另一边,中间放着一个指针作为分界点的指示器,那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离。
  • “空闲列表”(Free List)

如果Java堆中的内存并不是规整的,已使用的内存和空 闲的内存相互交错,那就没有办法简单地进行指针碰撞了,虚拟机就必须维护一个列表,记 录上哪些内存块是可用的,在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例, 并更新列表上的记录。
解决并发问题的方法:
  • CAS(compare and swap)

虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性来对分配内存空间的动作进行同步处理。
  • 本地线程分配缓冲(Thread Local Allocation Buffer,TLAB)

把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行,即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存。通过-XX:+/-UseTLAB参数来设定虚拟机是否使用TLAB(JVM会默认开启-XX:+UseTLAB),-XX:TLABSize 指定TLAB大小。

3.1.3、初始化为零值

内存分配完成后,虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值(不包括对象头), 如果使用TLAB,这一工作过程也可以提前至TLAB分配时进行。这一步操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用,程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

3.1.4、设置对象头

初始化零值之后,虚拟机要对对象进行必要的设置,例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头Object Header之中。
在HotSpot虚拟机中,对象在内存中存储的布局可以分为3块区域:对象头(Header)、 实例数据(Instance Data)和对齐填充(Padding)。 HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息,第一部分用于存储对象自身的运行时数据, 如哈希码(HashCode)、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时 间戳等。对象头的另外一部分是类型指针,即对象指向它的类元数据的指针,虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。
32位对象头

image.png

64位对象头

image.png

3.1.5、执行<init>方法

执行方法,即对象按照程序员的意愿进行初始化。对应到语言层面上讲,就是为属性赋值(注意,这与上面的赋零值不同,这是由程序员赋的值),和执行构造方法。

3.2、对象大小与指针压缩

jdk1.6 update14开始,在64位JVM,指针压缩可有效利用内存。
启用指针压缩:-XX:+UseCompressedOops(默认开启),禁止指针压缩:-XX:-UseCompressedOops。

为什么要进行指针压缩?

  1. 在64位平台的HotSpot中使用32位指针(实际存储用64位),内存使用会多出1.5倍左右,使用较大指针在主内存和缓存之间移动数据,占用较大宽带,同时GC也会承受较大压力

  2. 为了减少64位平台下内存的消耗,启用指针压缩功能。

  3. 在jvm中,32位地址最大支持4G内存(2的32次方),可以通过对对象指针的存入堆内存时压缩编码、取出到cpu寄存器后解码方式进行优化(对象指针在堆中是32位,在寄存器中是35位,2的35次方=32G),使得jvm只用32位地址就可以支持更大的内存配置。

  4. 堆内存小于4G时,不需要启用指针压缩,jvm会直接去除高32位地址,即使用低虚拟地址空间。

  5. 堆内存大于32G时,压缩指针会失效,会强制使用64位(即8字节)来对java对象寻址,这就会出现1的问题,所以堆内存不要大于32G为好。

对象大小可以用jol-core包查看,引入依赖:
<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.9</version>
</dependency>
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
/**
 * 计算对象大小
 */
public class JOLSample {
    public static void main(String[] args) {
        ClassLayout layout2 = ClassLayout.parseInstance(new A());
        System.out.println(layout2.toPrintable());
    }
    // -XX:+UseCompressedOops           默认开启的压缩所有指针
    // -XX:+UseCompressedClassPointers  默认开启的压缩对象头里的类型指针Klass Pointer
    // Oops : Ordinary Object Pointers
    public static class A {
                       //8B mark word
                       //4B Klass Pointer   如果关闭压缩-XX:-UseCompressedClassPointers或-XX:-UseCompressedOops,则占用8B
        int id;        //4B
        String name;   //4B  如果关闭压缩-XX:-UseCompressedOops,则占用8B
        byte b;        //1B 
        Object o;      //4B  如果关闭压缩-XX:-UseCompressedOops,则占用8B
    }
}

运行结果(启动指针压缩):

com.tuling.jvm.JOLSample$A object internals:
 OFFSET  SIZE               TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4                    (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1) //mark word
      4     4                    (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) //mark word
                      			 // 4个字节存储 Klass Pointer
      8     4                    (object header)                           61 cc 00 f8 (01100001 11001100 00000000 11111000) (-134165407) //Klass Pointer
     12     4                int A.id                                      0
     16     1               byte A.b                                       0
     17     3                    (alignment/padding gap)                  
     20     4   java.lang.String A.name                                    null // 占用4字节
     24     4   java.lang.Object A.o                                       null	// 占用4字节
     28     4                    (loss due to the next object alignment)
Instance size: 32 bytes
Space losses: 3 bytes internal + 4 bytes external = 7 bytes total

运行结果(未启动指针压缩):

com.tuling.jvm.JOLSample$A object internals:
 OFFSET  SIZE               TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4                    (object header)                           05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5) //mark word
      4     4                    (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) //mark word
                      			 // 8个字节存储 Klass Pointer
      8     4                    (object header)                           f8 51 4e lc (11111000 01010001 01001110 00011100) (474894840) //Klass Pointer
      							 // 占用且未使用的4字节的内存 
     12     4                    (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) //Klass Pointer
     
     16     4                int A.id                                      0
     20     1               byte A.b                                       0
     21     3                    (alignment/padding gap)                  
     24     4   java.lang.String A.name                                    null // 占用8字节
     32     4   java.lang.Object A.o                                       null	// 占用8字节
Instance size: 40 bytes
Space losses: 3 bytes internal + 0 bytes external = 3 bytes total

 五、JVM对象内存分配

image.png

5.1、栈内分配

JVM通过对象逃逸分析确定该对象不会被外部访问。如果不会逃逸可以将该对象在栈上分配内存,这样该对象所占用的内存空间就可以随栈帧出栈而销毁,就减轻了垃圾回收的压力。
对象逃逸分析:就是分析对象动态作用域,当一个对象在方法中被定义后,它可能被外部方法所引用。例如作为调用参数传递到其他地方中。
public User test1() {
   User user = new User();
   user.setId(1);
   user.setName("zhuge");
   return user; //返回user对象,说明对象逃逸,可能会被外部使用。
}

public void test2() {
   User user = new User();
   user.setId(1);
   user.setName("zhuge");
   //user对象没有被返回,只是内部使用,说明未对象逃逸。即可在栈上分配内存。
}
JVM对于这种情况可以通过开启逃逸分析参数(-XX:+DoEscapeAnalysis)来优化对象内存分配位置,使其通过标量替换
先分配在栈上(栈上分配),JDK7之后默认开启逃逸分析,如果要关闭使用参数(-XX:-DoEscapeAnalysis)

标量替换

通过逃逸分析确定该对象不会被外部访问,并且对象可以被进一步分解时,JVM不会创建该对象,而是将该对象成员变量分解若干个被这个方法使用的成员变量所代替,这些代替的成员变量在栈帧或寄存器上分配空间,这样就不会因为没有一大块连续空间导致对象内存不够分配。开启标量替换参数(-XX:+EliminateAllocations),JDK7之后默认开启。

标量与聚合量

标量即不可被进一步分解的量,而JAVA的基本数据类型就是标量(如:int,long等基本数据类型以及reference类型等),标量的对立就是可以被进一步分解的量,而这种量称之为聚合量。而在JAVA中对象就是可以被进一步分解的聚合量。
总结:栈上分配依赖于逃逸分析和标量替换。

5.2、对象在Eden区分配

大多数情况下,对象在新生代中 Eden 区分配。当 Eden 区没有足够空间进行分配时,虚拟机将发起一次Minor GC。

GC分类

  1. Minor GC/Young GC:指发生新生代的的垃圾收集动作,Minor GC非常频繁,回收速度一般也比较快。

  2. Major GC/Full GC:一般会回收老年代 ,年轻代,方法区的垃圾,Major GC的速度一般会比Minor GC的慢10倍以上。

大量的对象被分配在eden区,eden区满了后会触发minor gc,可能会有99%以上的对象成为垃圾被回收掉,剩余存活的对象会被挪到为空的那块survivor区,下一次eden区满了后又会触发minor gc,把eden区和survivor区垃圾对象回收,把剩余存活的对象一次性挪动到另外一块为空的survivor区,因为新生代的对象都是朝生夕死的,存活时间很短,所以JVM默认的8:1:1的比例是很合适的。
一般让eden区尽量的大,survivor区够用即可。
JVM默认有这个参数-XX:+UseAdaptiveSizePolicy(默认开启),会导致这个8:1:1比例自动变化,如果不想这个比例有变化可以设置参数-XX:-UseAdaptiveSizePolicy。
如果Minor GC后,Survior区无法存入时,会把幸存对象象提前转移到老年代中去。

5.3、大对象直接进入老年代

大对象就是需要大量连续内存空间的对象(比如:字符串、数组)。JVM参数-XX:PretenureSizeThreshold可以设置大对象的大小,如果对象超过设置大小会直接进入老年代,不会进入年轻代,这个参数只在 Serial 和ParNew两个收集器下有效。
-XX:PretenureSizeThreshold=1000000 (单位是字节) -XX:+UseSerialGC

5.4、大对象直接进入老年代(AGE?)

既然虚拟机采用了分代收集的思想来管理内存,那么内存回收时就必须能识别哪些对象应放在新生代,哪些对象应放在老年代中。为了做到这一点,虚拟机给每个对象一个对象年龄(Age)计数器。
如果对象在 Eden 出生并经过第一次 Minor GC 后仍然能够存活,并且能被 Survivor 容纳的话,将被移动到 Survivor空间中,并将对象年龄设为1。对象在 Survivor 中每熬过一次 MinorGC,年龄就增加1岁,当它的年龄增加到一定程度(默认为15岁,CMS收集器默认6岁,不同的垃圾收集器会略微有点不同),就会被晋升到老年代中。对象晋升到老年代的年龄阈值,可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。

5.5、对象动态年龄判断

当一批对象Survivor区时,这批对象的总大小大于这块Survivor区域内存大小的50%(-XX:TargetSurvivorRatio可以指定),那么此时大于等于这批对象年龄最大值的对象,就可以直接进入老年代
这个规则其实是希望那些可能是长期存活的对象,尽早进入老年代。对象动态年龄判断机制一般是在minor gc之后触发

5.6、老年代空间分配担保机制

每次minor gc之前JVM都会计算下老年代剩余可用空间,如果剩余空间小于年轻代里目前所有对象大小之和(包括垃圾对象),就会看一个“-XX:-HandlePromotionFailure”(JDK1.8默认就设置了)的参数是否设置。
如果有这个参数,就会看看老年代的可用内存大小,是否大于之前每一次minor gc后进入老年代的对象的平均大小。如果小于或者之参数(-XX:-HandlePromotionFailure)没有设置,那么就会触发一次Full gc,对老年代和年轻代一起回收一次垃圾,如果回收完还是没有足够空间存放新的对象就会"OOM"。

image.png

六、对象内存

堆中几乎放着所有的对象实例,对堆垃圾回收前的第一步就是要判断哪些对象已经死亡(即不能再被任何途径使用的对象)。

6.1、引用计数法

给对象中添加一个引用计数器,每当有一个地方引用它,计数器就加1;当引用失效,计数器就减1;任何时候计数器为0的对象就是不可能再被使用的。
这个方法实现简单,效率高,但是目前主流的虚拟机中并没有选择这个算法来管理内存但是很难解决对象之间相互循环引用的问题。

6.2、可达性分析算法

将“GC Roots” 对象作为起点,从这些节点开始向下搜索引用的对象,找到的对象都标记为非垃圾对象,其余未标记的对象都是垃圾对象。
哪些可作为GC Roots根节点:线程栈的本地变量、静态变量、本地方法栈的变量等等。

image.png

6.3、常见引用类型

一般分为四种:强引用、软引用、弱引用、虚引用

强引用

普通的变量引用
public static User user = new User();

软引用

将对象用SoftReference软引用类型的对象包裹,正常情况不会被回收,但是GC做完后发现释放不出空间存放新的对象,则会把这些软引用的对象回收掉。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存
public static SoftReference<User> user = new SoftReference<User>(new User());
软引用在实际中有重要的应用,例如浏览器的后退按钮。按后退时,这个后退时显示的网页内容是重新进行请求还是从缓存中取出呢?这就要看具体的实现策略了。
  1. 如果一个网页在浏览结束时就进行内容的回收,则按后退查看前面浏览过的页面时,需要重新构建。

  2. 如果将浏览过的网页存储到内存中会造成内存的大量浪费,甚至会造成内存溢出。

弱引用

将对象用WeakReference软引用类型的对象包裹,弱引用跟软引用差不多,GC会直接回收掉,很少用。
 public static WeakReference<User> user = new WeakReference<User>(new User());

虚引用

虚引用也称为幽灵引用或者幻影引用,它是最弱的一种引用关系,几乎不用。

6.4、finalize()方法最终判定对象是否存活

即使在可达性分析算法中不可达的对象,也并非是“非死不可”的,这时候它们暂时处于“缓刑”阶段,要真正宣告一个对象死亡,至少要经历再次标记过程。
标记的前提是对象在进行可达性分析后发现没有与GC Roots相连接的引用链。
1、第一次标记并进行一次筛选。
筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法。当对象没有覆盖finalize方法,对象将直接被回收。
2、第二次标记
如果这个对象覆盖了finalize方法,finalize方法是对象脱逃死亡命运的最后一次机会,如果对象要在finalize()中成功拯救自己,只要重新与GC Roots引用链上的任何的一个对象建立关联即可,譬如把自己赋值给某个类变量或对象的成员变量,那在第二次标记时它将移除出“即将回收”的集合。如果对象这时候还没逃脱,那基本上它就真的被回收了。

6.5、判断一个类是无用的类

方法区主要回收的是无用的类,那么如何判断一个类是无用的类的呢?
类需要同时满足下面3个条件才能算是 “无用的类” :
  1. 该类所有的实例都已经被回收,也就是 Java 堆中不存在该类的任何实例。

  2. 加载该类的 ClassLoader 已经被回收。

  3. 该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用,无法在任何地方通过反射访问该类的方。

七、JVM内存优化举例(估算)

image.png

优化前JVM参数:

image.png

堆内存:-Xms3072M
默认老年代占用堆内存3/2(2G),年轻代占用堆内存3/1(1G)。
年轻代细分(默认8:1:1):eden区10/8(800m)、s0区10/1(100m)、s1区10/1(100m)。【JVM默认有个参数-XX:+UseAdaptiveSizePolicy(默认开启),会导致这个8:1:1比例自动变化,如果不想这个比例有变化可以设置参数-XX:-UseAdaptiveSizePolicy】
元空间(方法区)初始大小:512M。
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
理想状态下:minor GC后每次eden区所剩下的数据都能进入Survivor区,且每次进入都是60M。
  1. 每秒有60M的数据会放入eden区,大概14秒占满。触发minor GC,回收eden区(图上所说,1秒后变为垃圾对象,即回收前13秒的数据)。第14秒产生的数据,在程序执行到一半时,eden区放满了,触发minor GC,导致STW(Stop The World),导致运行中的线程暂停,这些线程所产生的对象还被GC Roots引用,无法回收。数据迁移到s0。但是根据对象动态年龄判断机制,会直接放到老年代。

  2. 重复上述操作,几分钟后,老年代占满,触发full GC。清理老年代。

优化后JVM参数:

优化方案,可以调大Survivor区,或者整体调大年轻代
-Xmn2048m

image.png

理想状态下:minor GC后每次eden区所剩下的数据都能进入Survivor区,且每次进入都是60M。
  1. 每秒有60M的数据会放入eden区,大概25秒占满。触发minor GC,回收eden区(图上所说,1秒后变为垃圾对象,即回收前24秒的数据)。minor GC后,根据对象动态年龄判断机制,能放到s0。

  2. 下一个25秒。eden区再次放满触发minor GC(清理eden区和非空Survivor区),第一个25秒存入s0数据已经过时,肯定会被GC清理,本次幸存的数据存入s1。

  3. 下一个25秒。eden区再次放满触发minor GC(清理eden区和非空Survivor区),第二个25秒存入s1数据已经过时,肯定会被GC清理,本次幸存的数据存入s0。

  4. ...........。

这样就基本解决频繁触发full GC问题。


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