最简单例子图解JVM内存分配和回收

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一、简介

JVM采用分代垃圾回收。在JVM的内存空间中把堆空间分为年老代和年轻代。将大量(据说是90%以上)创建了没多久就会消亡的对象存储在年轻代,而年老代中存放生命周期长久的实例对象。年轻代中又被分为Eden区(圣经中的伊甸园)、和两个Survivor区。新的对象分配是首先放在Eden区,Survivor区作为Eden区和Old区的缓冲,在Survivor区的对象经历若干次收集仍然存活的,就会被转移到年老区。

jvm-memory-generation

 

简单讲,就是生命期短的对象放在一起,将少数生命期长的对象放在一起,分别采用不同的回收策略。生命期短的对象回收频率比较高,生命期长的对象采用比较低回收频率,生命期短的对象被尝试回收几次发现还存活,则被移到另外一个地方去存起来。就像现在夏天了,勤劳的doumadoudoudouba常穿的衣服放在顺手的地方,把冬天的衣服打包放在柜子另一个地方。虽然把doudou的小衣服类比成虚拟机里的对象有点不合适,大致意思应该就是这样。

doudou-closet

 

本文中通过最简单的一个例子来demo下这个过程,代码很短,很简单,希望剖析的细一点,包括每一步操作后对象的分配和回收对内存堆产生的影响。设定上包括对堆中年轻代(年轻代中eden区和survivor区)、年老代大小的设定,以及设置阈值控制年轻代到年老代的晋升。

二、示例代码

下面是最简单的代码,通过代码的每一步的执行来剖析其中的规则。

package com.idouba.jvm.demo;

/**
 * @author idouba
 * Use shortest code demo jvm allocation, gc, and someting in gc.
 *
 * In details
 * 1) sizing of young generation (eden space,survivor space),old generation.
 * 2) allocation in eden space, gc in young generation,
 * 3) working with survivor space and with old generation.
 *
 */
public class SimpleJVMArg {

	/**
	 * @param args
	 */
	public static void main(String[] args)
	{
		demo();
	}

	/**
	 * VM arg:-verbose:gc -Xms200M -Xmx200M -Xmn100M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8 -XX:MaxTenuringThreshold=1 -XX:+PrintTenuringDistribution
	 *
	 */
	@SuppressWarnings("unused")
	public static void demo() {

		final int tenMB = 10* 1024 * 1024;

		byte[] alloc1, alloc2, alloc3;

		alloc1 = new byte[tenMB / 5];
		alloc2 = new byte[5 * tenMB];
		alloc3 = new byte[4 * tenMB];
		alloc3 = null;
		alloc3 = new byte[6 * tenMB];
	}
}

三、执行输出

通过jvm 参数设定几个区域的大小,结合代码执行可以观察到对象在堆上分配和回收的过程。执行参数如下:

-verbose:gc -Xms200M -Xmx200M -Xmn100M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+PrintTenuringDistribution

通过设这-Xms200M -Xmx200M 设置Java堆大小为200M,不可扩展,-Xmn100M设置其中100M分配给新生代,则200-100=100M,即剩下的100M分配给老年代。-XX:SurvivorRatio=8设置了新生代中eden与survivor的空间比例是1:8。

执行上述代码结果如下:

[GC [DefNew
Desired survivor size 5242880 bytes, new threshold 15 (max 15)
- age   1:    2237152 bytes,    2237152 total
: 54886K->2184K(92160K), 0.0508477 secs] 54886K->53384K(194560K), 0.0508847 secs] [Times: user=0.03 sys=0.03, real=0.06 secs] 
[GC [DefNew
Desired survivor size 5242880 bytes, new threshold 15 (max 15)
- age   2:    2237008 bytes,    2237008 total
: 43144K->2184K(92160K), 0.0028660 secs] 94344K->53384K(194560K), 0.0028957 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
Heap
 def new generation   total 92160K, used 65263K [0x1a1d0000, 0x205d0000, 0x205d0000)
  eden space 81920K,  77% used [0x1a1d0000, 0x1df69a10, 0x1f1d0000)
  from space 10240K,  21% used [0x1f1d0000, 0x1f3f2250, 0x1fbd0000)
  to   space 10240K,   0% used [0x1fbd0000, 0x1fbd0000, 0x205d0000)
 tenured generation   total 102400K, used 51200K [0x205d0000, 0x269d0000, 0x269d0000)
   the space 102400K,  50% used [0x205d0000, 0x237d0010, 0x237d0200, 0x269d0000)
 compacting perm gen  total 12288K, used 360K [0x269d0000, 0x275d0000, 0x2a9d0000)
   the space 12288K,   2% used [0x269d0000, 0x26a2a3c0, 0x26a2a400, 0x275d0000)
    ro space 8192K,  66% used [0x2a9d0000, 0x2af20f10, 0x2af21000, 0x2b1d0000)
    rw space 12288K,  52% used [0x2b1d0000, 0x2b8206d0, 0x2b820800, 0x2bdd0000)

从中可以看到eden 大小为81920K, Survivor中from区域和to区域大小都是10240k。新生代总的92160K指的是eden和一个Survivor区域的和。

即原始的内存如图:

01-empty-heap

为了演示年轻代对象晋级到年老代的过程。需要设置一个VM参数, 这里设置MaxTenuringThreshold=1。前面不设置的时候,默认MaxTenuringThreshold取值15。当设置不同的阈值,jvm在内存处理会有不同。我们重点观察观察alloc1 这么小块区域在不同的MaxTenuringThreshold参数设置下的遭遇。

这时候JVM的参数中加上MaxTenuringThreshold=1如下:

-verbose:gc  -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8 -XX:MaxTenuringThreshold=1 -XX:+PrintTenuringDistribution

可以看到输出结果是:

[GC [DefNew
Desired survivor size 5242880 bytes, new threshold 1 (max 1)
- age   1:    2237152 bytes,    2237152 total
: 54886K->2184K(92160K), 0.0641037 secs] 54886K->53384K(194560K), 0.0641390 secs] [Times: user=0.03 sys=0.03, real=0.06 secs] 
[GC [DefNew
Desired survivor size 5242880 bytes, new threshold 1 (max 1)
: 43144K->0K(92160K), 0.0036114 secs] 94344K->53384K(194560K), 0.0036418 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs] 
Heap
 def new generation   total 92160K, used 63078K [0x1a1d0000, 0x205d0000, 0x205d0000)
  eden space 81920K,  77% used [0x1a1d0000, 0x1df69a10, 0x1f1d0000)
  from space 10240K,   0% used [0x1f1d0000, 0x1f1d0000, 0x1fbd0000)
  to   space 10240K,   0% used [0x1fbd0000, 0x1fbd0000, 0x205d0000)
 tenured generation   total 102400K, used 53384K [0x205d0000, 0x269d0000, 0x269d0000)
   the space 102400K,  52% used [0x205d0000, 0x239f2260, 0x239f2400, 0x269d0000)
 compacting perm gen  total 12288K, used 360K [0x269d0000, 0x275d0000, 0x2a9d0000)
   the space 12288K,   2% used [0x269d0000, 0x26a2a3c0, 0x26a2a400, 0x275d0000)
    ro space 8192K,  66% used [0x2a9d0000, 0x2af20f10, 0x2af21000, 0x2b1d0000)
    rw space 12288K,  52% used [0x2b1d0000, 0x2b8206d0, 0x2b820800, 0x2bdd0000)

四、过程解析

下面观察每一步语句执行后,jvm内存的变化情况,并给出解析。

1)在执行第一个语句,alloc1分配2M空间

alloc1 = new byte[tenMB / 5];

后,根据分代策略,在新生代的eden区分配2M的空间存储对象。

02-alloc1-allocation

2)在执行第二语句,alloc2分配50M

alloc2 = new byte[5 * tenMB];

前面alloc1分配2M后,因为eden的80M空间还有80-2=78M还可以容纳下allocation2要求的50M空间,因此接着在eden区域分配。

03-alloc2-allocation

3)当执行第三句,alloc3分配40M

alloc3 = new byte[4 * tenMB];

还是尝试在eden上分配,但是eden空间只剩下28M,不能容纳alloc3要求的40M空间。于是触发在新生代上的一次gc,将Eden区的存活对象转移到Survivor区。在这个里先将2M的alloc1对象存放(其实是copy,参见java 垃圾回收策略的描述)到from区,然后copy 50M的alloc2对象,显然survivor区不能容纳下alloc2对象,该对象被直接copy到年老代。需要说明的是复制到Survivor区的对象在经历一次gc后期对象年龄会被加一。

04-gc1

在eden区gc后腾出空间可以存放allocation3的40M对象,则alloc3分配40M对象如图:

05-alloc3-allocation

4)执行第四句,将alloc3置空

alloc3 = null;

这是eden上alloc3分配的的40M对象则变成可被回收状态。

06-alloc3-null

5)执行第5句,对alloc重新分配60M空间

allocation3 = new byte[6 * tenMB];

还是尝试先在eden区上分配,发现超出了eden区域的容量,则再次触发新生代上的一次gc。首先eden上分配的40M对象因为没有被再使用,则直接被回收。而根据的设置不同,这次gc的行为会稍有不同。

先看MaxTenuringThreshold不设置,即取默认值15的时候。eden区上无用的40M回收后,再考察Survivor区域的对象是否满足对象晋升老年代的年龄阈值,发现from中的2M对象,年龄是1,不满足晋升条件,则不被处理,只是把Survivor区域的经历这次回收未被处理的对象age加一,即新的age为2.如图:

07-gc2(no-threshold)

通过输出日志也显示:经过这次回收年轻代大小,由43114K变为2184k,总的大小由94344k变为53384k,即反映出回收了40M无用对象。

Desired survivor size 5242880 bytes, new threshold 15 (max 15)
- age   2:    2237008 bytes,    2237008 total
: 43144K->2184K(92160K), 0.0028660 secs] 94344K->53384K(194560K), 0.0028957 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

在年轻代上gc后腾出空间后,新的alloc3的60M空间被分配到eden 区域上。分配后堆如下:

09-alloc3-reallocation(no threshold)

以上是不设置晋升阈值MaxTenuringThreshold情况下进行的gc,以及gc后alloc3的分配。

再看看当MaxTenuringThreshold设置为1的情况。同样eden区上无用的40M回收后,再考察Survivor区域的对象是否满足对象晋升老年代的年龄阈值,发现from中的2M对象,年龄是1,满足晋升条件,则Survivor区域满足年龄的对象被拷贝到年老区。

08-gc2(threshold=1)

通过日志显示年轻代的大小被清0了,表示survivor的存活对象因为满足晋升条件被移到被移到年老代了。

[GC [DefNew
Desired survivor size 5242880 bytes, new threshold 1 (max 1)
: 43144K->0K(92160K), 0.0036114 secs] 94344K->53384K(194560K), 0.0036418 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs]

同样的,gc完后会在eden上分配空间来存储alloc3对象,这种情况下堆结构如图:

10-alloc3-reallocation(threshold=1)

 

比较上面两个图,发现差别就仅仅在于survivor中的2M对象是否被认为生存时间足够长科院被移到年老代中去。从上面日志高亮部分from区域的最终存储也可反映出了这个差别。

比较前面两个日志可以看到:总的大小和上面设置和不设置MaxTenuringThreshold(其实是MaxTenuringThreshold设置1还是15)没有关系,都是由94344k变为53384k,即都是回收了40M eden区域无用对象。第N次gc时存活的满足晋升条件则由survivor移到年老代,不满足的还留在survivor区域,堆的总的大小没有变。

五、最后

上面通过最简单的例子示意了下在jvm堆上对象是如果分配的,当空间不足时,是如何调整回收的。希望可以对jvm的堆上结构和gc思路有个基本的了解。当然相关参数(其实反映的是机制)远比这个复杂,有挺多细节,更多的是在实践中来体会。

附配图可编辑件:jvm-allocation-and-gc

 

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idouba

an ExTrender,现就职一初创安全公司任数据服务团队负责人,做数据(存储、挖掘、服务)方面研发。爱数据,爱代码,爱技术,爱豆吧。
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  • 评论 (3)
    • jadic
    • 2015/06/18 11:14上午

    “-XX:SurvivorRatio=8设置了新生代中eden与survivor的空间比例是1:8”是不是应该是8:1啊?

    • h2482018
    • 2015/08/27 12:00下午

    图片看不了,可以粘图片吗?

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