JVM内存分配与垃圾收集机制

JVM内存分配

对象内存分配

对象内存分配流程图

对象栈上分配

我们通过JVM内存分配可以知道JAVA中的对象都是在堆上进行分配，当对象没有被引用的时候，需要依靠GC进行回收内存，如果对象数量较多的时候，会给GC带来较大压力，也间接影响了应用的性能。为了减少临时对象在堆内分配的数量，JVM通过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。

对象优先在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。我们来进行实际测试一下。

在测试之前我们先来看看 Minor GC和Full GC 有什么不同呢？

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。
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。

Eden与Survivor区默认8:1:1

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，**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
示例：

//添加运行JVM参数： -XX:+PrintGCDetails
public class GCTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        byte[] allocation1, allocation2;
        allocation1 = new byte[59000*1024];
    }
}

Heap
 PSYoungGen      total 75776K, used 65024K [0x000000076b900000, 0x0000000770d80000, 0x00000007c0000000)
  eden space 65024K, 100% used [0x000000076b900000,0x000000076f880000,0x000000076f880000)
  from space 10752K, 0% used [0x0000000770300000,0x0000000770300000,0x0000000770d80000)
  to   space 10752K, 0% used [0x000000076f880000,0x000000076f880000,0x0000000770300000)
 ParOldGen       total 173568K, used 0K [0x00000006c2a00000, 0x00000006cd380000, 0x000000076b900000)
  object space 173568K, 0% used [0x00000006c2a00000,0x00000006c2a00000,0x00000006cd380000)
 Metaspace       used 3436K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 374K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

我们可以看出eden区内存几乎已经被分配完全（即使程序什么也不做，新生代也会使用至少几M内存）。假如我们再为allocation2分配内存会出现什么情况呢？

//添加运行JVM参数： -XX:+PrintGCDetails
public class GCTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        byte[] allocation1, allocation2;
        allocation1 = new byte[59000*1024];
        allocation2 = new byte[10000*1024];
    }
}
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 64210K->888K(75776K)] 64210K->59896K(249344K), 0.0358277 secs] [Times: user=0.14 sys=0.03, real=0.04 secs] 
Heap
 PSYoungGen      total 75776K, used 11538K [0x000000076b900000, 0x0000000774d00000, 0x00000007c0000000)
  eden space 65024K, 16% used [0x000000076b900000,0x000000076c366a78,0x000000076f880000)
  from space 10752K, 8% used [0x000000076f880000,0x000000076f95e030,0x0000000770300000)
  to   space 10752K, 0% used [0x0000000774280000,0x0000000774280000,0x0000000774d00000)
 ParOldGen       total 173568K, used 59008K [0x00000006c2a00000, 0x00000006cd380000, 0x000000076b900000)
  object space 173568K, 33% used [0x00000006c2a00000,0x00000006c63a0010,0x00000006cd380000)
 Metaspace       used 3436K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 374K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

 因为给allocation2分配内存的时候eden区内存几乎已经被分配完了，我们刚刚讲了当Eden区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次Minor GC，GC期间虚拟机又发现allocation1无法存入Survior空间，所以只好把新生代的对象**提前转移到老年代**中去，老年代上的空间足够存放allocation1，所以不会出现Full GC。执行Minor GC后，后面分配的对象如果能够存在eden区的话，还是会在eden区分配内存。

//添加运行JVM参数： -XX:+PrintGCDetails
public class GCTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        byte[] allocation1, allocation2, allocation3, allocation4, allocation5, allocation6;
        allocation1 = new byte[59000*1024];
        allocation2 = new byte[10000*1024];
        allocation3 = new byte[10000*1024];
        allocation4 = new byte[10000*1024];
        allocation5 = new byte[10000*1024];
        allocation6 = new byte[10000*1024];
    }
}
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 64210K->888K(75776K)] 64210K->59896K(249344K), 0.0308868 secs] [Times: user=0.25 sys=0.00, real=0.03 secs] 
Heap
 PSYoungGen      total 75776K, used 52799K [0x000000076b900000, 0x0000000774d00000, 0x00000007c0000000)
  eden space 65024K, 79% used [0x000000076b900000,0x000000076ebb1e08,0x000000076f880000)
  from space 10752K, 8% used [0x000000076f880000,0x000000076f95e010,0x0000000770300000)
  to   space 10752K, 0% used [0x0000000774280000,0x0000000774280000,0x0000000774d00000)
 ParOldGen       total 173568K, used 59008K [0x00000006c2a00000, 0x00000006cd380000, 0x000000076b900000)
  object space 173568K, 33% used [0x00000006c2a00000,0x00000006c63a0010,0x00000006cd380000)
 Metaspace       used 3436K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 374K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

Process finished with exit code 0

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。

比如设置JVM参数：-XX:PretenureSizeThreshold=1000000 (单位是字节) -XX:+UseSerialGC ，再执行下上面的第一个程序会发现大对象直接进了老年代

为什么要这样呢？

为了避免为大对象分配内存时的复制操作而降低效率。

长期存活的对象将进入老年代

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。

对象动态年龄判断

当前放对象的Survivor区域里(其中一块区域，放对象的那块s区)，一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了，例如Survivor区域里现在有一批对象，年龄1+年龄2+年龄n的多个年龄对象总和超过了Survivor区域的50%，此时就会把年龄n(含)以上的对象都放入老年代。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之后触发的

老年代空间分配担保机制

年轻代每次minor gc之前JVM都会计算下老年代剩余可用空间，如果这个可用空间小于年轻代里现有的所有对象大小之和(包括垃圾对象)就会看一个“-XX:-HandlePromotionFailure”(jdk1.8默认就设置了)的参数是否设置了
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。如果上一步结果是小于或者之前说的参数没有设置，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发生”OOM”。当然，如果minor gc之后剩余存活的需要挪动到老年代的对象大小还是大于老年代可用空间，那么也会触发full gc，full gc完之后如果还是没有空间放minor gc之后的存活对象，则也会发生“OOM”。

对象内存回收

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），那么如何判断对象是否可回收。

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，其最主要的原因是它很难解决对象之间相互循环引用的问题。

public class ReferenceCountingGc {
   Object instance = null;
   public static void main(String[] args) {
      ReferenceCountingGc objA = new ReferenceCountingGc();
      ReferenceCountingGc objB = new ReferenceCountingGc();
      objA.instance = objB;
      objB.instance = objA;
      objA = null;
      objB = null;
   }
}

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

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

常见引用类型

java的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

1	`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。

1	`public static SoftReference<User> user = new SoftReference<User>(new User());`

软引用在实际中有重要的应用，假如有一个应用需要读取大量的本地图片，如果每次读取图片都从硬盘读取，则会严重影响性能，但是如果全部加载到内存当中，又有可能造成内存溢出，此时使用软引用可以解决这个问题。

设计思路是：用一个HashMap来保存图片的路径和相应图片对象关联的软引用之间的映射关系，在内存不足时，JVM会自动回收这些缓存图片对象所占用的空间，从而有效地避免了OOM的问题。在Android开发中对于大量图片下载会经常用到

弱引用：将对象用WeakReference软引用类型的对象包裹，弱引用跟没引用差不多，一旦触发GC会直接回收掉只有弱引用引用的变量或空间。

1	`public static WeakReference<User> user = new WeakReference<User>(new User());`

ThreadLocal的原理

ThreadLocal就是用的弱引用，首先，ThreadLocal是多线程中用于解决线程安全的一个线程内部存储类，它为每一个线程分配一个独立的线程副本，实现线程内的资源共享。每个Thread中维护着一个Map，就是ThreadLocal.ThreadLocalMap，他的key是ThreadLocal实例的弱引用，value是变量值。

ThreadLocal的Key为什么使用弱引用

如果key使用强引用，当threadlocal变量不再使用后（比如某些切面逻辑使用完毕），threadlocal不再被程序引用，由于线程还存活着且存在着对threadlocal的强引用导致无法回收（实际上threadlocal没用了，可以回收了），使用弱引用可以解决这个问题，顺利回收threadlocal。

ThreadLocal的内存泄漏问题

虽然key使用了弱引用，threadlocal被回收后，只要线程没结束，value依然被强引用着，，若果线程生命周期很长就会导致value一直占用内存，所以可以在使用结束后手动调用ThreadLocal.remove()方法来清除整个Entry

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

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。

注意：一个对象的finalize()方法只会被执行一次，也就是说通过调用finalize方法自我救命的机会就一次。

public class FinalizeTest {
    public static List<Object> LIST = new ArrayList<>();
    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        int j = 0;
        while (true) {
                LIST.add(new User(i++, UUID.randomUUID().toString()));
            new User(j--, UUID.randomUUID().toString());
        }
    }
}

public class User {
    private Integer id;
    private String name;
    public User(Integer id, String name) {
        this.id = id;
        this.name = name;
    }
    public void setId(Integer id) {
        this.id = id;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
    //User类需要重写finalize方法
    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        FinalizeTest.LIST.add(this);
        System.out.println("关闭资源，userid=" + id + "即将被回收");
    }
}

如何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呢？

该类所有的对象实例都已经被回收，也就是 Java 堆中不存在该类的任何实例。
加载该类的 ClassLoader 已经被回收。
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法。

垃圾收集算法

标记清除算法

算法分为“标记”和“清除”阶段：标记存活的对象，统一回收所有未被标记的对象(一般选择这种)；也可以反过来，标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有被标记的对象。它是最基础的收集算法，比较简单，但是会带来两个明显的问题：

1、效率问题（若标记的对象太多，则效率不高）

2、空间问题（标记清楚后会产生大量不连续的碎片空间，不利于空间利用及大对象的分配）

标记整理算法

根据老年代的特点特出的一种标记算法，标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象回收，而是让所有存活的对象向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存

复制算法

为了解决效率问题，“复制”收集算法出现了。它可以将内存分为大小相同的两块，每次使用其中的一块。当这一块的内存使用完后，就将还存活的对象复制到另一块去，然后再把使用的空间一次清理掉。这样就使每次的内存回收都是对内存区间的一半进行回收。

新生代中Eden区和2个Survivor区就是复制算法的变形，复制回收时，Eden+S1复制存活对象到S2，反正Eden + S2 -> S1

分代收集算法

当前虚拟机的垃圾收集都采用分代收集算法，这种算法没有什么新的思想，只是根据对象存活周期的不同将内存分为几块。一般将java堆分为新生代和老年代，这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。

比如在新生代中，每次收集都会有大量对象(近99%)死去，所以可以选择复制算法，只需要付出少量对象的复制成本就可以完成每次垃圾收集。而老年代的对象存活几率是比较高的，而且没有额外的空间对它进行分配担保，所以我们必须选择“标记-清除”或“标记-整理”算法进行垃圾收集。注意，“标记-清除”或“标记-整理”算法会比复制算法慢10倍以上。

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性能调优12-JVM内存分配与垃圾收集机制

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