Java（JVM）內(nèi)存模型

理解JVM內(nèi)存模型

Java內(nèi)存管理是理解Java垃圾回收工作原理的重要基礎(chǔ)。今天，我們將探討Java中的內(nèi)存管理、JVM內(nèi)存的不同部分，以及如何監(jiān)控和調(diào)優(yōu)垃圾回收。

Java (JVM) 內(nèi)存模型

如上圖所示，JVM內(nèi)存分為多個(gè)部分。從廣義上講，JVM堆內(nèi)存被物理地分為兩部分：年輕代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。

Java中的內(nèi)存管理 - 年輕代

年輕代是創(chuàng)建所有新對象的地方。當(dāng)年輕代填滿時(shí)，會(huì)進(jìn)行垃圾回收，這種回收稱為小垃圾回收（Minor GC）。年輕代分為三個(gè)部分：伊甸園內(nèi)存（Eden Memory）和兩個(gè)幸存者內(nèi)存空間（Survivor Memory）。關(guān)于年輕代空間的重要點(diǎn)：

• 大多數(shù)新創(chuàng)建的對象位于伊甸園內(nèi)存空間。
• 當(dāng)伊甸園空間填滿對象時(shí)，進(jìn)行Minor GC，所有幸存對象被移動(dòng)到其中一個(gè)幸存者空間。
• Minor GC還檢查幸存對象并將其移動(dòng)到另一個(gè)幸存者空間。因此在任何時(shí)候，某個(gè)幸存者空間始終為空。
• 經(jīng)過多次GC循環(huán)幸存的對象將移動(dòng)到老年代內(nèi)存空間。通常，通過設(shè)置年輕代對象的年齡閾值來決定它們何時(shí)可以提升到老年代。

Java中的內(nèi)存管理 - 老年代

老年代內(nèi)存包含長壽命對象，這些對象在多輪Minor GC后仍然存活。通常，當(dāng)老年代內(nèi)存滿時(shí)，會(huì)進(jìn)行垃圾回收，稱為大垃圾回收（Major GC），通常需要更長時(shí)間。

停止世界事件

所有的垃圾回收都是“停止世界”事件，因?yàn)樗袘?yīng)用程序線程會(huì)在操作完成之前被停止。由于年輕代保留短期對象，Minor GC非?？?，應(yīng)用程序不會(huì)受到影響。然而，Major GC需要較長時(shí)間，因?yàn)樗鼤?huì)檢查所有活躍對象。應(yīng)盡量減少M(fèi)ajor GC，因?yàn)檫@會(huì)使應(yīng)用程序在垃圾回收期間無響應(yīng)。如果您的應(yīng)用程序需要響應(yīng)性而發(fā)生大量Major GC，您會(huì)注意到超時(shí)錯(cuò)誤。垃圾收集器所需的時(shí)間取決于所使用的垃圾回收策略。因此，監(jiān)控和調(diào)優(yōu)垃圾收集器以避免高響應(yīng)性應(yīng)用中的超時(shí)是必要的。

Java內(nèi)存模型 - 永久代

永久代（Permanent Generation或Perm Gen）包含JVM所需的應(yīng)用程序元數(shù)據(jù)，以描述應(yīng)用程序中使用的類和方法。請注意，Perm Gen并不是Java堆內(nèi)存的一部分。Perm Gen由JVM在運(yùn)行時(shí)根據(jù)應(yīng)用程序使用的類填充，還包含Java SE庫的類和方法。Perm Gen對象在完全垃圾回收中被收集。

Java內(nèi)存模型 - 方法區(qū)

方法區(qū)是Perm Gen的一部分，用于存儲(chǔ)類結(jié)構(gòu)（運(yùn)行時(shí)常量和靜態(tài)變量）及方法和構(gòu)造函數(shù)的代碼。

Java內(nèi)存模型 - 內(nèi)存池

內(nèi)存池是由JVM內(nèi)存管理器創(chuàng)建的，用于創(chuàng)建不可變對象的池（如果實(shí)現(xiàn)支持）。字符串池是這種內(nèi)存池的一個(gè)好例子。內(nèi)存池可以屬于堆或Perm Gen，這取決于JVM內(nèi)存管理器的實(shí)現(xiàn)。

Java內(nèi)存模型 - 運(yùn)行時(shí)常量池

運(yùn)行時(shí)常量池是每個(gè)類的運(yùn)行時(shí)常量池的表示，包含類運(yùn)行時(shí)常量和靜態(tài)方法。運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分。

Java內(nèi)存模型 - Java棧內(nèi)存

Java棧內(nèi)存用于線程的執(zhí)行，包含方法特定的短期值和對堆中其他對象的引用。您應(yīng)該了解堆內(nèi)存與棧內(nèi)存之間的區(qū)別。

Java中的內(nèi)存管理 - Java堆內(nèi)存開關(guān)

Java提供了許多內(nèi)存開關(guān)，我們可以用它們來設(shè)置內(nèi)存大小及其比例。常用的內(nèi)存開關(guān)包括：

大多數(shù)時(shí)候，上述選項(xiàng)是足夠的，但如果您想查看其他選項(xiàng)，請查看JVM選項(xiàng)官方頁面。

Java中的內(nèi)存管理 - Java垃圾回收

Java垃圾回收是識(shí)別并刪除內(nèi)存中未使用對象的過程，以釋放空間供未來處理創(chuàng)建的對象。Java編程語言的一個(gè)最佳特性是自動(dòng)垃圾回收，而不像其他編程語言（如C）那樣需要手動(dòng)管理內(nèi)存分配和釋放。垃圾收集器是在后臺(tái)運(yùn)行的程序，檢查內(nèi)存中的所有對象，找出未被程序任何部分引用的對象。所有這些未引用的對象都會(huì)被刪除，并回收空間以分配給其他對象。垃圾回收的基本步驟包括：

• 標(biāo)記：這是垃圾收集器識(shí)別哪些對象在使用、哪些對象未使用的第一步。
• 正常刪除：垃圾收集器移除未使用的對象，回收空間以分配給其他對象。
• 壓縮刪除：為了提高性能，在刪除未使用對象后，可以將所有幸存對象一起移動(dòng)，這將提高新對象的內(nèi)存分配性能。

簡單的標(biāo)記和刪除方法有兩個(gè)問題：

• 第一，它效率不高，因?yàn)榇蠖鄶?shù)新創(chuàng)建的對象很快會(huì)變?yōu)槲词褂谩?/li>
• 第二，經(jīng)過多次垃圾回收周期的對象很可能在未來的周期中仍然在使用。

上述簡單方法的缺點(diǎn)是Java垃圾回收是代際的，因此我們在堆內(nèi)存中有年輕代和老年代空間。我已經(jīng)在上面解釋了如何根據(jù)Minor GC和Major GC掃描和移動(dòng)對象。

Java中的內(nèi)存管理 - Java垃圾回收類型

我們可以在應(yīng)用程序中使用五種垃圾回收類型。只需使用JVM開關(guān)啟用應(yīng)用程序的垃圾回收策略。讓我們逐一看一下這些類型。

• 串行GC (-XX:+UseSerialGC)：使用簡單的標(biāo)記-清除-壓縮方法進(jìn)行年輕代和老年代垃圾回收，即Minor和Major GC。串行GC適用于客戶端機(jī)器，如簡單的獨(dú)立應(yīng)用程序和小型CPU的機(jī)器。適用于內(nèi)存占用小的應(yīng)用程序。
• 并行GC (-XX:+UseParallelGC)：與串行GC相同，但它為年輕代垃圾回收生成N個(gè)線程，其中N是系統(tǒng)中的CPU核心數(shù)量。我們可以使用-XX:ParallelGCThreads=nJVM選項(xiàng)設(shè)置n。對于大型應(yīng)用程序（特別是高吞吐量應(yīng)用程序），該方法比串行更有效，因?yàn)樵谛∮贑PU核心的機(jī)器上，它不會(huì)產(chǎn)生額外的開銷。
• 并發(fā)標(biāo)記清除GC (-XX:+UseConcMarkSweepGC)：具有最小的應(yīng)用程序停機(jī)時(shí)間。該GC使用多個(gè)線程進(jìn)行Minor GC，并使用兩個(gè)階段并發(fā)標(biāo)記清除對象，幾乎沒有暫停。與并行GC相比，這種方式在高響應(yīng)性應(yīng)用程序中表現(xiàn)良好。
• G1 GC (-XX:+UseG1GC)：通過將堆劃分為多個(gè)區(qū)域來工作，它將小部分空間分配給年輕代和老年代。它的垃圾回收過程分為多個(gè)階段，通常表現(xiàn)良好。G1 GC在大規(guī)模應(yīng)用程序中最有效，尤其是在大堆內(nèi)存和大響應(yīng)時(shí)間敏感應(yīng)用程序中。我們還可以通過設(shè)置-XX:MaxGCPauseMillis=200來定義G1 GC的最大暫停時(shí)間。
• ZGC (-XX:+UseZGC)：適用于內(nèi)存很大的應(yīng)用程序，基本上旨在支持大規(guī)模應(yīng)用程序。它在高響應(yīng)性應(yīng)用程序中表現(xiàn)良好，適合在處理大量內(nèi)存時(shí)有超低停機(jī)時(shí)間。

以上是內(nèi)存管理中的基本概念。下面我們將探討如何監(jiān)控和調(diào)優(yōu)Java垃圾回收器，以便您可以優(yōu)化應(yīng)用程序性能并避免出現(xiàn)停機(jī)時(shí)間。

監(jiān)控和調(diào)優(yōu)垃圾回收

為了優(yōu)化Java應(yīng)用程序中的內(nèi)存管理，您可以使用以下幾種方法監(jiān)控和調(diào)優(yōu)垃圾回收。

• 使用JVisualVM或其他監(jiān)控工具以獲取內(nèi)存使用情況的詳細(xì)視圖。
• 使用JConsole進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
• 收集垃圾回收日志以獲取數(shù)據(jù)并分析堆內(nèi)存使用情況。
• 優(yōu)化堆大小和年輕代和老年代的比例，以確保內(nèi)存管理高效。
• 減少創(chuàng)建短期對象以降低垃圾回收頻率。

監(jiān)控與調(diào)優(yōu)是確保您的Java應(yīng)用程序運(yùn)行良好的關(guān)鍵部分。通過仔細(xì)分析和優(yōu)化，您可以提升應(yīng)用程序的性能。

綜上所述，深入理解Java內(nèi)存模型是提升Java應(yīng)用性能的重要步驟。通過有效管理內(nèi)存和優(yōu)化垃圾回收，您將能夠提高應(yīng)用的響應(yīng)性和穩(wěn)定性。

若你想提升Java技能，可關(guān)注我們的Java培訓(xùn)課程。