jvm堆記憶體和GC簡介

大鵬SP發表於2020-10-15
JVM記憶體GC

最近經常遇到jvm記憶體問題，覺得還是有必要整理下jvm記憶體的相關邏輯，這裡只描述jvm堆記憶體，對外記憶體暫不闡述。

jvm記憶體簡圖

  1. jvm記憶體分為堆記憶體和非堆記憶體，堆記憶體分為年輕代、老年代，非堆記憶體裡只有個永久代。

  2. 年輕代分為生成區（Eden）和倖存區（Survivor），倖存區由FromSpace和Tospace兩部分組成，預設情況下，記憶體大小比例：Eden：FromSpace：ToSpace 為 8:1:1。

  3. 堆記憶體存放的是物件，垃圾收集器回收的就是這裡的物件，不同區域的物件根據不同的GC演算法回收，比如年輕代對應Minor GC，老年代對應Major GC。

  4. 非堆記憶體即永久代，也稱為方法區，儲存的是程式執行時長期存活的物件，比如類的後設資料、方法、常量、屬性等。

  5. 在jdk1.8廢棄了永久代，使用元空間（MetaSpace）取而代之，元空間儲存的物件與永久代相同，區別是：元空間並不在jvm中，使用的是本地記憶體。

    為什麼移除永久代呢

​ 為融合HotSpot JVM與JRockit VM（新JVM技術）而做出的改變，因為JRockit沒有永久代。

分代概念

首先，GC是Garbage Collection，即垃圾回收。

​ 新生成的物件首先存放在生成區，當生成區滿了，觸發Minor GC，存活下來的物件轉移到Survivor0，即FromSpace，Survivor0區滿後觸發執行Minor GC，存活物件移動到Suvivor1區，即ToSpace，經過多次Minor GC仍然存活的物件轉移到老年代。

​ 所以老年代儲存的是長期活動的物件，當老年代滿了會觸發Major GC。

​ Minor GC和Major GC是俗稱，有些情況下Major GC和Full GC是等價的，如果出發了Full GC,那麼所有執行緒必須等待GC完成才能繼續（見GC分類和演算法）。

​ 分代原因

​ 將物件根據存活概率進行分類，對存活時間長的物件，放到固定區，從而減少掃描垃圾時間及GC頻率。針對分類進行不同的垃圾回收演算法，對演算法揚長避短。

​ 為什麼倖存區分為大小相同的兩部分：S0，S1

​ 主要為了解決碎片化，因為回收一部分物件後，剩餘物件佔用的記憶體不連續，也就是碎片化，過於嚴重的話，當前連續的記憶體不夠新物件存放就會觸發GC，這樣會提高GC的次數，降低效能，當S0 GC後存活物件轉移到S1後存活物件佔用的就是連續的記憶體。

GC分類和相關演算法

我們來看下GC分類，才能清楚什麼時候觸發Full GC、和非Full GC，GC大致分為兩種：

  • Partial GC：並不收集整個GC堆的模式，即可以理解為非Full GC
    • Young GC：只收集young gen的GC
    • Old GC：只收集old gen的GC。只有CMS有這個模式
    • Mixed GC：收集整個young gen以及部分old gen的GC。只有G1有這個模式
  • Full GC：收集整個堆，包括young gen、old gen、perm gen（如果存在的話）等所有部分的模式。

上面說的CMS和G1都是GC的演算法，相關GC演算法如下：

  1. Serial GC演算法：Serial Young GC ＋ Serial Old GC （實際上它是全域性範圍的Full GC）；

  2. Parallel GC演算法：Parallel Young GC ＋ 非並行的PS MarkSweep GC / 並行的Parallel Old GC（這倆實際上也是全域性範圍的Full GC），選PS MarkSweep GC 還是 Parallel Old GC 由引數UseParallelOldGC來控制；

  3. CMS演算法：ParNew（Young）GC + CMS（Old）GC ＋ Full GC for CMS演算法；

  4. G1 GC演算法：Young GC + mixed GC（新生代，再加上部分老生代）＋ Full GC for G1 GC演算法（應對G1 GC演算法某些時候的不趕趟，開銷很大）；

​ GC觸發條件

  • Young GC：各種Young GC觸發的條件都是Eden區滿了。

  • Serial Old GC／PS MarkSweep GC／Parallel Old GC：當準備要觸發一次young GC時，如果發現統計資料說之前young GC的平均晉升大小比目前old gen剩餘的空間大，則不會觸發young GC而是轉為觸發full GC。

  • Full GC for CMS：老年代使用比率超過某個值。

  • Full GC for G1 GC：Heap使用比率超過某個值。

  • 如果有perm gen的話，要在perm gen分配空間但已經沒有足夠空間時，也要觸發一次full GC。

    小結：不同演算法對應的GC回收條件是不同的。

    GC方式

    ​ 標記-清除（Mark-Sweep）

    ​ GC分為兩個階段，標記和清除。首先標記所有可回收的物件，在標記完成後統一回收所有被標記的物件。同時會產生不連續的記憶體碎片，碎片過多會導致以後程式執行時需要分配較大物件時，無法找到足夠的連續記憶體，而不得已再次觸發GC。

    紅色代表被標記的可回收物件，綠色代表存活物件

    清除後如下：

    複製（Copy）

​ 將記憶體按容量劃分為兩塊，每次只使用其中一塊。當這一塊記憶體用完了，就將存活的物件複製到另一塊上，然後再把已使用的記憶體空間一次清理掉。這樣使得每次都是對半個記憶體區回收，也不用考慮記憶體碎片問題，簡單高效。缺點需要兩倍的記憶體空間。
清除前後如下：


標記-整理（Mark-Compact）

​ 也分為兩個階段，首先標記可回收的物件，再將存活的物件都向一端移動，然後清理掉邊界以外的記憶體。此方 法避免標記-清除演算法的碎片問題，同時也避免了複製演算法的空間問題。

​ 一般年輕代中執行GC後，會有少量的物件存活，就會選用複製演算法，只要付出少量的存活物件複製成本就可以 完成收集。而老年代中因為物件存活率高，沒有額外過多記憶體空間分配，就需要使用標記-清理或者標記-整理演算法來進行回收。
清除前後如下：

GC演算法引數

引數 描述
-XX:+UseSerialGC 序列收集器
-XX:+UseParallelGC 並行收集器
-XX:+UseParallelGCThreads=8 並行收集器執行緒數，同時有多少個執行緒進行垃圾回收，一般與CPU數量相等
-XX:+UseParallelOldGC 指定老年代為並行收集
-XX:+UseConcMarkSweepGC CMS收集器（併發收集器）
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection 開啟記憶體空間壓縮和整理，防止過多記憶體碎片
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=0 表示多少次Full GC後開始壓縮和整理，0表示每次Full GC後立即執行壓縮和整理
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=80% 表示老年代記憶體空間使用80%時開始執行CMS收集，防止過多的Full GC
-XX:+UseG1GC G1收集器
-XX:MaxTenuringThreshold=0 在年輕代經過幾次GC後還存活，就進入老年代，0表示直接進入老年代

OOM原因

1）老年代記憶體不足：java.lang.OutOfMemoryError:Javaheapspace
2）永久代記憶體不足：java.lang.OutOfMemoryError:PermGenspace
3）程式碼bug，佔用記憶體無法及時回收。

​ 可以通過新增個引數-XX:+HeapDumpOnOutMemoryError，讓虛擬機器在出現記憶體溢位異常時Dump出當前的記憶體堆轉儲快照以便事後分析。

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