Java 記憶體區域和GC機制

目錄

1. Java垃圾回收概況
2. Java記憶體區域
3. Java對象的訪問方式
4. Java記憶體分配機制
5. Java GC機制
6. 垃圾收集器

Java垃圾回收概況

　　Java GC（Garbage Collection，垃圾收集，垃圾回收）機制，是Java與C++/C的主要區別之一，作為Java開發者，一般不需要專門編寫記憶體回收和垃圾清理代 碼，對記憶體泄露和溢出的問題，也不需要像C程式員那樣戰戰兢兢。這是因為在Java虛擬機中，存在自動記憶體管理和垃圾清掃機制。概括地說，該機制對 JVM（Java Virtual Machine）中的記憶體進行標記，並確定哪些記憶體需要回收，根據一定的回收策略，自動的回收記憶體，永不停息（Nerver Stop）的保證JVM中的記憶體空間，放置出現記憶體泄露和溢出問題。

　　關於JVM，需要說明一下的是，目前使用最多的Sun公司的JDK中，自從 1999年的JDK1.2開始直至現在仍在廣泛使用的JDK6，其中預設的虛擬機都是HotSpot。2009年，Oracle收購Sun，加上之前收購 的EBA公司，Oracle擁有3大虛擬機中的兩個：JRockit和HotSpot，Oracle也表明瞭想要整合兩大虛擬機的意圖，但是目前在新發佈 的JDK7中，預設的虛擬機仍然是HotSpot，因此本文中預設介紹的虛擬機都是HotSpot，相關機制也主要是指HotSpot的GC機制。

　　Java GC機制主要完成3件事：確定哪些記憶體需要回收，確定什麼時候需要執行GC，如何執行GC。經過這麼長時間的發展（事實上，在Java語言出現之前，就有 GC機制的存在，如Lisp語言），Java GC機制已經日臻完善，幾乎可以自動的為我們做絕大多數的事情。然而，如果我們從事較大型的應用軟體開發，曾經出現過記憶體優化的需求，就必定要研究 Java GC機制。

　　學習Java GC機制，可以幫助我們在日常工作中排查各種記憶體溢出或泄露問題，解決性能瓶頸，達到更高的併發量，寫出更高效的程式。

　　我們將從4個方面學習Java GC機制，1，記憶體是如何分配的；2，如何保證記憶體不被錯誤回收（即：哪些記憶體需要回收）；3，在什麼情況下執行GC以及執行GC的方式；4，如何監控和優化GC機制。

Java記憶體區域

　　瞭解Java GC機制，必須先清楚在JVM中記憶體區域的劃分。在Java運行時的數據區里，由JVM管理的記憶體區域分為下圖幾個模塊：

其中：

1，程式計數器（Program Counter Register）：程式計數器是一個比較小的記憶體區域，用於指示當前線程所執行的位元組碼執行到了第幾行，可以理解為是當前線程的行號指示器。位元組碼解釋器在工作時，會通過改變這個計數器的值來取下一條語句指令。

　　每個程式計數器只用來記錄一個線程的行號，所以它是線程私有（一個線程就有一個程式計數器）的。

　　如果程式執行的是一個Java方法，則計數器記錄的是正在執行的虛擬機位元組碼指令地址；如果正在執行的是一個本地（native，由C語言編寫 完成）方法，則計數器的值為Undefined，由於程式計數器只是記錄當前指令地址，所以不存在記憶體溢出的情況，因此，程式計數器也是所有JVM記憶體區 域中唯一一個沒有定義OutOfMemoryError的區域。

2，虛擬機棧（JVM Stack）：一個線程的每個方法在執行的同時，都會創建一個棧幀（Statck Frame），棧幀中存儲的有局部變數表、操作站、動態鏈接、方法出口等，當方法被調用時，棧幀在JVM棧中入棧，當方法執行完成時，棧幀出棧。

　　局部變數表中存儲著方法的相關局部變數，包括各種基本數據類型，對象的引用，返回地址等。在局部變數表中，只有long和double類型會占 用2個局部變數空間（Slot，對於32位機器，一個Slot就是32個bit），其它都是1個Slot。需要註意的是，局部變數表是在編譯時就已經確定 好的，方法運行所需要分配的空間在棧幀中是完全確定的，在方法的生命周期內都不會改變。

　　虛擬機棧中定義了兩種異常，如果線程調用的棧深度大於虛擬機允許的最大深度，則拋出StatckOverFlowError（棧溢出）；不過多 數Java虛擬機都允許動態擴展虛擬機棧的大小(有少部分是固定長度的)，所以線程可以一直申請棧，知道記憶體不足，此時，會拋出 OutOfMemoryError（記憶體溢出）。

　　每個線程對應著一個虛擬機棧，因此虛擬機棧也是線程私有的。

3，本地方法棧（Native Method Statck）：本地方法棧在作用，運行機制，異常類型等方面都與虛擬機棧相同，唯一的區別是：虛擬機棧是執行Java方法的，而本地方法棧是用來執行native方法的，在很多虛擬機中（如Sun的JDK預設的HotSpot虛擬機），會將本地方法棧與虛擬機棧放在一起使用。

　　本地方法棧也是線程私有的。

4，堆區（Heap）：堆區是理解Java GC機制最重要的區域，沒有之一。在JVM所管理的記憶體中，堆區是最大的一塊，堆區也是Java GC機制所管理的主要記憶體區域，堆區由所有線程共用，在虛擬機啟動時創建。堆區的存在是為了存儲對象實例，原則上講，所有的對象都在堆區上分配記憶體（不過現代技術里，也不是這麼絕對的，也有棧上直接分配的）。

　　一般的，根據Java虛擬機規範規定，堆記憶體需要在邏輯上是連續的（在物理上不需要），在實現時，可以是固定大小的，也可以是可擴展的，目前主 流的虛擬機都是可擴展的。如果在執行垃圾回收之後，仍沒有足夠的記憶體分配，也不能再擴展，將會拋出OutOfMemoryError:Java heap space異常。

　　關於堆區的內容還有很多，將在下節“Java記憶體分配機制”中詳細介紹。

5，方法區（Method Area）：在Java虛擬機規範中，將方法區作為堆的一個邏輯部分來對待，但事實 上，方法區並不是堆（Non-Heap）；另外，不少人的博客中，將Java GC的分代收集機制分為3個代：青年代，老年代，永久代，這些作者將方法區定義為“永久代”，這是因為，對於之前的HotSpot Java虛擬機的實現方式中，將分代收集的思想擴展到了方法區，並將方法區設計成了永久代。不過，除HotSpot之外的多數虛擬機，並不將方法區當做永 久代，HotSpot本身，也計劃取消永久代。本文中，由於筆者主要使用Oracle JDK6.0，因此仍將使用永久代一詞。

　　方法區是各個線程共用的區域，用於存儲已經被虛擬機載入的類信息（即載入類時需要載入的信息，包括版本、field、方法、介面等信息）、final常量、靜態變數、編譯器即時編譯的代碼等。

　　方法區在物理上也不需要是連續的，可以選擇固定大小或可擴展大小，並且方法區比堆還多了一個限制：可以選擇是否執行垃圾收集。一般的，方法區上 執行的垃圾收集是很少的，這也是方法區被稱為永久代的原因之一（HotSpot），但這也不代表著在方法區上完全沒有垃圾收集，其上的垃圾收集主要是針對 常量池的記憶體回收和對已載入類的卸載。

　　在方法區上進行垃圾收集，條件苛刻而且相當困難，效果也不令人滿意，所以一般不做太多考慮，可以留作以後進一步深入研究時使用。

　　在方法區上定義了OutOfMemoryError:PermGen space異常，在記憶體不足時拋出。

　　運行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區的一部分，用於存儲編譯期就生成的字面常量、符號引用、翻譯出來的直接引用（符號引用就是編碼是用字元串表示某個變數、介面的位置，直接引用就是根據符號引用翻譯出來的地址，將在類鏈接階段完成翻譯）；運行時常量池除了存儲編譯期常量外，也可以存儲在運行時間產生的常量（比如String類的intern()方法，作用是String維護了一個常量池，如果調用的字元“abc”已經在常量池中，則返回池中的字元串地址，否則，新建一個常量加入池中，並返回地址）。

6，直接記憶體（Direct Memory）：直接記憶體並不是JVM管理的記憶體，可以這樣理解，直接記憶體，就是 JVM以外的機器記憶體，比如，你有4G的記憶體，JVM占用了1G，則其餘的3G就是直接記憶體，JDK中有一種基於通道（Channel）和緩衝區 （Buffer）的記憶體分配方式，將由C語言實現的native函數庫分配在直接記憶體中，用存儲在JVM堆中的DirectByteBuffer來引用。 由於直接記憶體收到本機器記憶體的限制，所以也可能出現OutOfMemoryError的異常。

Java對象的訪問方式

一般來說，一個Java的引用訪問涉及到3個記憶體區域：JVM棧，堆，方法區。

　　以最簡單的本地變數引用：Object obj = new Object()為例：

• Object obj表示一個本地引用，存儲在JVM棧的本地變數表中，表示一個reference類型數據；
• new Object()作為實例對象數據存儲在堆中；
• 堆中還記錄了Object類的類型信息（介面、方法、field、對象類型等）的地址，這些地址所執行的數據存儲在方法區中；

在Java虛擬機規範中，對於通過reference類型引用訪問具體對象的方式並未做規定，目前主流的實現方式主要有兩種：

1，通過句柄訪問（圖來自於《深入理解Java虛擬機：JVM高級特效與最佳實現》）：

通過句柄訪問的實現方式中，JVM堆中會專門有一塊區域用來作為句柄池，存儲相關句柄所執行的實例數據地址（包括在堆中地址和在方法區中的地址）。這種實現方法由於用句柄表示地址，因此十分穩定。

2，通過直接指針訪問：（圖來自於《深入理解Java虛擬機：JVM高級特效與最佳實現》）

通過直接指針訪問的方式中，reference中存儲的就是對象在堆中的實際地址，在堆中存儲的對象信息中包含了在方法區中的相應類型數據。這種方法最大的優勢是速度快，在HotSpot虛擬機中用的就是這種方式。

Java記憶體分配機制

這裡所說的記憶體分配，主要指的是在堆上的分配，一般的，對象的記憶體分配都是在堆上進行，但現代技術也支持將對象拆成標量類型（標量類型即原子類型，表示單個值，可以是基本類型或String等），然後在棧上分配，在棧上分配的很少見，我們這裡不考慮。

　　Java記憶體分配和回收的機制概括的說，就是：分代分配，分代回收。對象將根據存活的時間被分為：年輕代（Young Generation）、年老代（Old Generation）、永久代（Permanent Generation，也就是方法區）。如下圖（來源於《成為JavaGC專家part I》，http://www.importnew.com/1993.html）：

　　年輕代（Young Generation）：對象被創建時，記憶體的分配首先發生在年輕代（大對象可以直接 被創建在年老代），大部分的對象在創建後很快就不再使用，因此很快變得不可達，於是被年輕代的GC機制清理掉（IBM的研究表明，98%的對象都是很快消 亡的），這個GC機制被稱為Minor GC或叫Young GC。註意，Minor GC並不代表年輕代記憶體不足，它事實上只表示在Eden區上的GC。

　　年輕代上的記憶體分配是這樣的，年輕代可以分為3個區域：Eden區（伊甸園，亞當和夏娃偷吃禁果生娃娃的地方，用來表示記憶體首次分配的區域，再 貼切不過）和兩個存活區（Survivor 0 、Survivor 1）。記憶體分配過程為（來源於《成為JavaGC專家part I》，http://www.importnew.com/1993.html）：

1. 絕大多數剛創建的對象會被分配在Eden區，其中的大多數對象很快就會消亡。Eden區是連續的記憶體空間，因此在其上分配記憶體極快；
2. 當Eden區滿的時候，執行Minor GC，將消亡的對象清理掉，並將剩餘的對象複製到一個存活區Survivor0（此時，Survivor1是空白的，兩個Survivor總有一個是空白的）；
3. 此後，每次Eden區滿了，就執行一次Minor GC，並將剩餘的對象都添加到Survivor0；
4. 當Survivor0也滿的時候，將其中仍然活著的對象直接複製到Survivor1，以後Eden區執行Minor GC後，就將剩餘的對象添加Survivor1（此時，Survivor0是空白的）。
5. 當兩個存活區切換了幾次（HotSpot虛擬機預設15次，用-XX:MaxTenuringThreshold控制，大於該值進入老年代）之後，仍然存活的對象（其實只有一小部分，比如，我們自己定義的對象），將被覆制到老年代。

　　從上面的過程可以看出，Eden區是連續的空間，且Survivor總有一個為空。經過一次GC和複製，一個Survivor中保存著當前還活 著的對象，而Eden區和另一個Survivor區的內容都不再需要了，可以直接清空，到下一次GC時，兩個Survivor的角色再互換。因此，這種方 式分配記憶體和清理記憶體的效率都極高，這種垃圾回收的方式就是著名的“停止-複製（Stop-and-copy）”清理法（將Eden區和一個Survivor中仍然存活的對象拷貝到另一個Survivor中），這不代表著停止複製清理法很高效，其實，它也只在這種情況下高效，如果在老年代採用停止複製，則挺悲劇的。

　　在Eden區，HotSpot虛擬機使用了兩種技術來加快記憶體分配。分別是bump-the-pointer和TLAB（Thread- Local Allocation Buffers），這兩種技術的做法分別是：由於Eden區是連續的，因此bump-the-pointer技術的核心就是跟蹤最後創建的一個對象，在對 象創建時，只需要檢查最後一個對象後面是否有足夠的記憶體即可，從而大大加快記憶體分配速度；而對於TLAB技術是對於多線程而言的，將Eden區分為若幹 段，每個線程使用獨立的一段，避免相互影響。TLAB結合bump-the-pointer技術，將保證每個線程都使用Eden區的一段，並快速的分配內 存。

　　年老代（Old Generation）：對象如果在年輕代存活了足夠長的時間而沒有被清理掉（即在幾次 Young GC後存活了下來），則會被覆制到年老代，年老代的空間一般比年輕代大，能存放更多的對象，在年老代上發生的GC次數也比年輕代少。當年老代記憶體不足時， 將執行Major GC，也叫 Full GC。　　

　　如果對象比較大（比如長字元串或大數組），Young空間不足，則大對象會直接分配到老年代上（大對象可能觸發提前GC，應少用，更應避免使用短命的大對象）。用-XX:PretenureSizeThreshold來控制直接升入老年代的對象大小，大於這個值的對象會直接分配在老年代上。

　　可能存在年老代對象引用新生代對象的情況，如果需要執行Young GC，則可能需要查詢整個老年代以確定是否可以清理回收，這顯然是低效的。解決的方法是，年老代中維護一個512 byte的塊——”card table“，所有老年代對象引用新生代對象的記錄都記錄在這裡。Young GC時，只要查這裡即可，不用再去查全部老年代，因此性能大大提高。

Java GC機制

GC機制的基本演算法是：分代收集，這個不用贅述。下麵闡述每個分代的收集方法。

　　年輕代：

　　事實上，在上一節，已經介紹了新生代的主要垃圾回收方法，在新生代中，使用“停止-複製”演算法進行清理，將新生代記憶體分為2部分，1部分 Eden區較大，1部分Survivor比較小，並被劃分為兩個等量的部分。每次進行清理時，將Eden區和一個Survivor中仍然存活的對象拷貝到 另一個Survivor中，然後清理掉Eden和剛纔的Survivor。

　　這裡也可以發現，停止複製演算法中，用來複制的兩部分並不總是相等的（傳統的停止複製演算法兩部分記憶體相等，但新生代中使用1個大的Eden區和2個小的Survivor區來避免這個問題）

　　由於絕大部分的對象都是短命的，甚至存活不到Survivor中，所以，Eden區與Survivor的比例較大，HotSpot預設是 8:1，即分別占新生代的80%，10%，10%。如果一次回收中，Survivor+Eden中存活下來的記憶體超過了10%，則需要將一部分對象分配到 老年代。用-XX:SurvivorRatio參數來配置Eden區域Survivor區的容量比值，預設是8，代表Eden：Survivor1：Survivor2=8:1:1.

　　老年代：

　　方法區（永久代）：

　　永久代的回收有兩種：常量池中的常量，無用的類信息，常量的回收很簡單，沒有引用了就可以被回收。對於無用的類進行回收，必須保證3點：

1. 類的所有實例都已經被回收
2. 載入類的ClassLoader已經被回收
3. 類對象的Class對象沒有被引用（即沒有通過反射引用該類的地方）

垃圾收集器

在GC機制中，起重要作用的是垃圾收集器，垃圾收集器是GC的具體實現，Java虛擬機規範中對於垃圾收集器沒有任何規定，所以不同廠商實現的垃圾 收集器各不相同，HotSpot 1.6版使用的垃圾收集器如下圖（圖來源於《深入理解Java虛擬機：JVM高級特效與最佳實現》，圖中兩個收集器之間有連線，說明它們可以配合使用）：

在介紹垃圾收集器之前，需要明確一點，就是在新生代採用的停止複製演算法中，“停 止（Stop-the-world）”的意義是在回收記憶體時，需要暫停其他所 有線程的執行。這個是很低效的，現在的各種新生代收集器越來越優化這一點，但仍然只是將停止的時間變短，並未徹底取消停止。

• Serial收集器：新生代收集器，使用停止複製演算法，使用一個線程進行GC，其它工作線程暫停。使用-XX:+UseSerialGC可以使用Serial+Serial Old模式運行進行記憶體回收（這也是虛擬機在Client模式下運行的預設值）
• ParNew收集器：新生代收集器，使用停止複製演算法，Serial收集器的多線程版，用多個線程進行GC，其它工作線程暫停，關註縮短垃圾收集時間。使用-XX:+UseParNewGC開關來控制使用ParNew+Serial Old收集器組合收集記憶體；使用-XX:ParallelGCThreads來設置執行記憶體回收的線程數。
• Parallel Scavenge 收集器：新生代收集器，使用停止複製演算法，關註CPU吞吐量，即運行用戶代碼的時間/總時間，比如：JVM運行100分鐘，其中運行用戶代碼99分鐘，垃 圾收集1分鐘，則吞吐量是99%，這種收集器能最高效率的利用CPU，適合運行後臺運算（關註縮短垃圾收集時間的收集器，如CMS，等待時間很少，所以適 合用戶交互，提高用戶體驗）。使用-XX:+UseParallelGC開關控制使用 Parallel Scavenge+Serial Old收集器組合回收垃圾（這也是在Server模式下的預設值）；使用-XX:GCTimeRatio來設置用戶執行時間占總時間的比例，預設99，即 1%的時間用來進行垃圾回收。使用-XX:MaxGCPauseMillis設置GC的最大停頓時間（這個參數只對Parallel Scavenge有效）

• Serial Old收集器：老年代收集器，單線程收集器，使用標記整理（整理的方法是Sweep（清理）和Compact（壓縮），清理是將廢棄的對象幹掉，只留幸存 的對象，壓縮是將移動對象，將空間填滿保證記憶體分為2塊，一塊全是對象，一塊空閑）演算法，使用單線程進行GC，其它工作線程暫停（註意，在老年代中進行標 記整理演算法清理，也需要暫停其它線程），在JDK1.5之前，Serial Old收集器與ParallelScavenge搭配使用。
• Parallel Old收集器：老年代收集器，多線程，多線程機制與Parallel Scavenge差不錯，使用標記整理（與Serial Old不同，這裡的整理是Summary（彙總）和Compact（壓縮），彙總的意思就是將幸存的對象複製到預先準備好的區域，而不是像Sweep（清 理）那樣清理廢棄的對象）演算法，在Parallel Old執行時，仍然需要暫停其它線程。Parallel Old在多核計算中很有用。Parallel Old出現後（JDK 1.6），與Parallel Scavenge配合有很好的效果，充分體現Parallel Scavenge收集器吞吐量優先的效果。使用-XX:+UseParallelOldGC開關控制使用Parallel Scavenge +Parallel Old組合收集器進行收集。
• CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器：老年代收集器，致力於獲取最短回收停頓時間，使用標記清除演算法，多線程，優點是併發收集（用戶線程可以和GC線程同時工作），停頓小。使用-XX:+UseConcMarkSweepGC進行ParNew+CMS+Serial Old進行記憶體回收，優先使用ParNew+CMS（原因見後面），當用戶線程記憶體不足時，採用備用方案Serial Old收集。

CMS收集的方法是：先3次標記，再1次清除，3次標記中前兩次是初始標記和重新標記（此時仍然需要停止（stop the world））， 初始標記（Initial Remark）是標記GC Roots能關聯到的對象（即有引用的對象），停頓時間很短；併發標記（Concurrent remark）是執行GC Roots查找引用的過程，不需要用戶線程停頓；重新標記（Remark）是在初始標記和併發標記期間，有標記變動的那部分仍需要標記，所以加上這一部分 標記的過程，停頓時間比併發標記小得多，但比初始標記稍長。在完成標記之後，就開始併發清除，不需要用戶線程停頓。 所以在CMS清理過程中，只有初始標記和重新標記需要短暫停頓，併發標記和併發清除都不需要暫停用戶線程，因此效率很高，很適合高交互的場合。 CMS也有缺點，它需要消耗額外的CPU和記憶體資源，在CPU和記憶體資源緊張，CPU較少時，會加重系統負擔（CMS預設啟動線程數為(CPU數量+3)/4）。 另外，在併發收集過程中，用戶線程仍然在運行，仍然產生記憶體垃圾，所以可能產生“浮動垃圾”，本次無法清理，只能下一次Full GC才清理，因此在GC期間，需要預留足夠的記憶體給用戶線程使用。所以使用CMS的收集器並不是老年代滿了才觸發Full GC，而是在使用了一大半（預設68%，即2/3，使用-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction來設置）的時候就要進行Full GC，如果用戶線程消耗記憶體不是特別大，可以適當調高-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction以降低GC次數，提高性能，如果預留的用戶線程記憶體不夠，則會觸發Concurrent Mode Failure，此時，將觸發備用方案：使用Serial Old 收集器進行收集，但這樣停頓時間就長了，因此-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction不宜設的過大。 還有，CMS採用的是標記清除演算法，會導致記憶體碎片的產生，可以使用-XX：+UseCMSCompactAtFullCollection來設置是否在Full GC之後進行碎片整理，用-XX：CMSFullGCsBeforeCompaction來設置在執行多少次不壓縮的Full GC之後，來一次帶壓縮的Full GC。  

• G1收集器：在JDK1.7中正式發佈，與現狀的新生代、老年代概念有很大不同，目前使用較少，不做介紹。