Java内存管理机制

JVM内存管理机制说到底就是为了解决两个问题：给对象分配内存以及回收分配给对象的内存。

Java Heap被分为两部分：Young Generation 和 Old Gereration。Perm并不属于Heap。

Young Generation (Young Gen)

所有的new出来的对象都放在Young Gen，当Young Gen满了， 就会执行Garbage Collection (GC)， 此时的GC称为Minor GC。 Young Gen被分成三部分：Eden Memory和两个Survivor Memory。

  • 多数情况下，对象都在新生代Eden区中分配，但一些大对象可能会直接进入到老年代。虚拟机提供了一个 -XX:PretenureSizeThreshold参数，令大于这个设置值的对象直接进老年代分配，这样做的目的是避免在Eden区以及两个Survivor区之间发生大量的内存拷贝。
  • Eden满了怎么办？JVM就会执行Minor GC。被引用的对象都会存活下来，它们将被移到Survivor区域里，也就是 图中的S0或S1。
  • 同一时间的两个Survivor区，一个用来保存对象，另一个是空的；每次进行Minor GC垃圾回收时，就把Eden，From的可达对象复制到To区域中，一些生存时间长的就复制到老年代，接着就清除Eden，From空间，最后把原来的To空间变为From空间，原来的From空间变为To空间。( 有点类似于双缓冲队列 )
  • 虚拟机给每个对象定义了一个对象年龄(Age)计数器。如果对象在Eden出生并进过第一次Minor GC后仍然存活，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Survivro区中每熬过一次Minor GC，年龄就增加1岁，当它的年龄增加到一定程度（默认为15岁）时，就会被晋升到老年代中。对象晋升老年代的年龄阈值，可以通过参数-XX:MaxTenuringThreshold来设置。
  • 动态对象年龄判定：为了能更好地适应不同程序的内存状况，虚拟机并不总是要求对象的年龄必须达到MaxTenuringThreshold才能晋升到老年代，如果在Survivor空间中相同年龄所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代，无须等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄。
  • Young区域大部分对象 朝生夕灭，因此Minor GC回收频率高且回收速度很快。
  • 新生代采用 复制算法 。

Old Generation(Tenured Gen)

  1. 回收机制：采用标记压缩算法回收垃圾。
  2. 对象来源：
  • 大对象直接进入老年代
  • Young代中生存时间长的可达对象。
  1. 回收频率：因为很少对象会死掉，所以执行频率不高，而且需要较长时间来完成。

Permanent Generation(永久代)

绝大部分 Java 程序员应该都见过 "java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space "这个异常。这里的 “PermGen space”其实指的就是方法区。不过方法区和“PermGen space”又有着本质的区别。前者是 JVM 的规范，而后者则是 JVM 规范的一种实现，并且只有 HotSpot 才有 “PermGen space”，而对于其他类型的虚拟机，如 JRockit（Oracle）、J9（IBM） 并没有“PermGen space”。由于方法区主要存储类的相关信息，所以对于动态生成类的情况比较容易出现永久代的内存溢出。最典型的场景就是，在 jsp 页面比较多的情况，容易出现永久代内存溢出。我们现在通过动态生成类来模拟 “PermGen space”的内存溢出：

import java.io.File;
import java.net.URL;
import java.net.URLClassLoader;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class PermGenOomMock{
    public static void main(String[] args) {
        URL url = null;
        List<ClassLoader> classLoaderList = new ArrayList<>();
        try {
            url = new File("/tmp").toURI().toURL();
            URL[] urls = {url};
            while (true){
                ClassLoader loader = new URLClassLoader(urls);
                classLoaderList.add(loader);
                loader.loadClass("java.lang.Object");
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行结果：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.<init>(ReentrantLock.java:262)
	at java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$Segment.<init>(ConcurrentHashMap.java:425)
	at java.util.concurrent.ConcurrentHashMap.<init>(ConcurrentHashMap.java:825)
	at java.util.concurrent.ConcurrentHashMap.<init>(ConcurrentHashMap.java:869)
	at java.lang.ClassLoader.<init>(ClassLoader.java:281)
	at java.lang.ClassLoader.<init>(ClassLoader.java:334)
	at java.security.SecureClassLoader.<init>(SecureClassLoader.java:99)
	at java.net.URLClassLoader.<init>(URLClassLoader.java:140)
	at com.boothsun.jvm.PermGenOomMock.main(PermGenOomMock.java:17)

本例中使用的 JDK 版本是 1.7，指定的 PermGen 区的大小为 8M。通过每次生成不同URLClassLoader对象来加载Test类，从而生成不同的类对象，这样就能看到我们熟悉的 "java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space " 异常了。这里之所以采用 JDK 1.7，是因为在 JDK 1.8 中， HotSpot 已经没有 “PermGen space”这个区间了，取而代之是一个叫做 Metaspace（元空间） 的东西。下面我们就来看看 Metaspace 与 PermGen space 的区别。

MetaSpace（元空间）

JDK1.8 永久代的废弃

JDK1.8 永久代变化如下图：

  1. 新生代：Eden + From Survivor + To Survivor
  2. 老年代：OldGen
  3. 永久代（方法区的实现）：PermGen ---> 替换为Metaspace(本地内存中)

移除永久代的原因

  1. 移除永久代是为融合HotSpot JVM与JRockit VM而做出的努力，因为JRockit没有永久代，不需要配置永久代。
  2. 永久代大小不确定，PermSize指定的太小很容易造成永久代OOM，因为PermSize的大小很依赖于很多因素，比如JVM加载的class总数，常量池的大小，方法的大小等。

元空间的内存大小

元空间时方法区的具体实现，方法区主要用于存储类的信息、常量池、方法数据、方法代码等。方法区逻辑上属于堆的一部分，但是为了与堆进行区分，通常称为“非堆”。

元空间的本地和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。 理论上取决于32位/64位系统可虚拟的内存大小。可见也不是无限制的，需要配置参数。

常用配置参数

  1. MetaspaceSize
    初始化的Metaspace大小，控制元空间发生GC的阈值。GC后，动态增加或降低MetaspaceSize。在默认情况下，这个值大小根据不同的平台在12M到20M浮动。

  2. MaxMetaspaceSize
    限制Metaspace增长的上限，防止因为某些情况导致Metaspace无限的使用本地内存，影响到其他程序。在本机上该参数的默认值为4294967295B（大约4096MB）。

  3. MinMetaspaceFreeRatio
    当进行过Metaspace GC之后，会计算当前Metaspace的空闲空间比，如果空闲比小于这个参数（即实际非空闲占比过大，内存不够用），那么虚拟机将增长Metaspace的大小。默认值为40，也就是40%。设置该参数可以控制Metaspace的增长的速度，太小的值会导致Metaspace增长的缓慢，Metaspace的使用逐渐趋于饱和，可能会影响之后类的加载。而太大的值会导致Metaspace增长的过快，浪费内存。

  4. MaxMetasaceFreeRatio
    当进行过Metaspace GC之后， 会计算当前Metaspace的空闲空间比，如果空闲比大于这个参数，那么虚拟机会释放Metaspace的部分空间。默认值为70，也就是70%。

  5. MaxMetaspaceExpansion
    Metaspace增长时的最大幅度。在本机上该参数的默认值为5452592B（大约为5MB）。

  6. MinMetaspaceExpansion
    Metaspace增长时的最小幅度。在本机上该参数的默认值为340784B（大约330KB为）。

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