作者 | 波哥
審校 | 重樓
Java虛擬機(jī)(JVM)的自動(dòng)內(nèi)存管理是Java開發(fā)者的福音,它通過垃圾收集(GC)機(jī)制自動(dòng)回收不再使用的對(duì)象,極大地簡化了內(nèi)存管理。然而,不恰當(dāng)?shù)腉C配置或不理想的垃圾收集器選擇可能會(huì)對(duì)應(yīng)用性能產(chǎn)生負(fù)面影響。為了優(yōu)化Java應(yīng)用的性能,深入理解GC的原理和策略是至關(guān)重要的。本文筆者將詳細(xì)探討JVM的垃圾收集機(jī)制,包括內(nèi)存模型、GC算法、各種垃圾收集器的特點(diǎn)及其調(diào)優(yōu)策略。
JVM的內(nèi)存模型是理解GC機(jī)制的基礎(chǔ)。JVM將內(nèi)存分為多個(gè)區(qū)域,主要包括堆(Heap)、方法區(qū)(Method Area)、程序計(jì)數(shù)器(Program Counter Register)、虛擬機(jī)棧(VM Stack)和本地方法棧(Native Method Stack)。
堆內(nèi)存是Java虛擬機(jī)(JVM)管理的最大一塊內(nèi)存區(qū)域,它被所有線程共享,主要用于存放對(duì)象實(shí)例和數(shù)組。從垃圾收集的角度,堆內(nèi)存進(jìn)一步細(xì)分為新生代(Young Generation)、老年代(Old Generation)以及元空間(Metaspace,在Java 8之后取代了永久代PermGen)。
(1)新生代(Young Generation)
新生代是大多數(shù)新創(chuàng)建的對(duì)象的誕生地。由于對(duì)象的生存周期大多數(shù)較短,新生代的垃圾收集(Minor GC)發(fā)生頻繁但速度快。新生代進(jìn)一步分為三個(gè)區(qū)域:
(2)老年代(Old Generation)
隨著時(shí)間的推移,一些在新生代中經(jīng)歷了多次GC依然存活的對(duì)象會(huì)被移動(dòng)到老年代。老年代用于存放應(yīng)用中生命周期長的對(duì)象。相較于新生代,老年代的空間更大,GC發(fā)生的頻率更低,但每次GC的時(shí)間更長。
對(duì)象進(jìn)入老年代(Old Generation)通常是基于它們的存活周期。JVM采用分代垃圾收集策略,其中對(duì)象首先在新生代(Young Generation)分配。隨著垃圾收集的進(jìn)行,只有存活下來的對(duì)象才會(huì)逐步晉升到老年代。具體而言,有幾種情況下對(duì)象會(huì)進(jìn)入到老年代:
(3)經(jīng)歷多次Minor GC后仍然存活的對(duì)象
新生代中的對(duì)象在經(jīng)歷了一定數(shù)量的Minor GC(垃圾收集只針對(duì)新生代的收集稱為Minor GC)后,如果仍然存活,它們會(huì)被移動(dòng)到老年代。JVM中有一個(gè)年齡計(jì)數(shù)器,每當(dāng)對(duì)象在Minor GC后仍然存活,它的年齡就會(huì)增加。當(dāng)對(duì)象的年齡增加到一定閾值(默認(rèn)為15,但可以通過JVM參數(shù)-XX:MaxTenuringThreshold進(jìn)行調(diào)整)時(shí),這個(gè)對(duì)象就會(huì)被晉升到老年代。
(4)大對(duì)象直接分配到老年代
所謂的大對(duì)象是指需要大量連續(xù)內(nèi)存空間的Java對(duì)象,例如那些很大的數(shù)組和長字符串。如果新生代中的Eden區(qū)無法容納一個(gè)新創(chuàng)建的對(duì)象,JVM就會(huì)直接將這個(gè)對(duì)象分配到老年代。這樣做是為了避免在新生代中為大對(duì)象分配內(nèi)存后,進(jìn)行Minor GC時(shí)發(fā)生大量的內(nèi)存復(fù)制操作(因?yàn)樾律褂玫氖菑?fù)制算法)。通過JVM參數(shù)-XX:PretenureSizeThreshold可以設(shè)置大對(duì)象的大小閾值。
(5)動(dòng)態(tài)年齡判斷
在新生代的兩個(gè)Survivor區(qū)之間,對(duì)象每經(jīng)過一次Minor GC就會(huì)年齡增加。如果在Survivor空間中相同年齡所有對(duì)象的大小的總和大于Survivor空間的一半,年齡大于或等于該年齡的對(duì)象就可以直接進(jìn)入老年代,無需等到-XX:MaxTenuringThreshold設(shè)置的年齡。
(6)空間分配擔(dān)保
在進(jìn)行Minor GC前,虛擬機(jī)會(huì)檢查老年代最大可用的連續(xù)空間是否大于新生代所有對(duì)象的總空間。如果這個(gè)條件不能滿足,虛擬機(jī)會(huì)提前將新生代中的部分對(duì)象轉(zhuǎn)移到老年代中,這個(gè)過程稱為“空間分配擔(dān)保”。目的是確保Minor GC可以順利完成,不會(huì)因?yàn)槔夏甏臻g不足而觸發(fā)更耗時(shí)的Full GC。
(7)元空間(Metaspace)
元空間用于存放類的元數(shù)據(jù)信息,如類的定義信息、常量、靜態(tài)變量等,并使用本地內(nèi)存(而非JVM堆內(nèi)存)。在Java 8之前,這部分?jǐn)?shù)據(jù)被存放在永久代中。元空間的引入是為了避免永久代容易發(fā)生的內(nèi)存溢出問題,并提供更靈活的內(nèi)存管理。
方法區(qū)(Method Area)是堆的一部分,也被稱為非堆(Non-Heap),它被所有線程共享。方法區(qū)主要用于存放已被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。
在Java 8及之后的版本中,傳統(tǒng)的永久代(PermGen)被元空間(Metaspace)所取代。與永久代不同,元空間并不在虛擬機(jī)內(nèi)存中,而是使用本地內(nèi)存,因此,元空間的大小只受本地內(nèi)存限制。
方法區(qū)的特點(diǎn)
方法區(qū)的垃圾收集
方法區(qū)的垃圾收集比較少見且難以執(zhí)行,主要涉及兩部分工作:廢棄常量的回收和無用類的卸載。無用類的卸載條件相對(duì)嚴(yán)格,需要同時(shí)滿足以下三個(gè)條件:
GC算法是實(shí)現(xiàn)垃圾收集的具體方法。主要的GC算法包括標(biāo)記-清除(Mark-Sweep)、復(fù)制(Copying)和標(biāo)記-整理(Mark-Compact),下面筆者將詳細(xì)介紹這三種算法的工作原理以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)。
(1)工作原理
(2)優(yōu)點(diǎn)
(3)缺點(diǎn)
(1)工作原理
(2)優(yōu)點(diǎn)
(3)缺點(diǎn)
(1)工作原理
(2)優(yōu)點(diǎn)
(3)缺點(diǎn)
現(xiàn)代JVM實(shí)現(xiàn)通常采用以上基本GC算法的變體或組合,以達(dá)到更高的垃圾收集效率和更低的停頓時(shí)間。例如:G1收集器就是將堆劃分為多個(gè)區(qū)域(Region),并根據(jù)每個(gè)區(qū)域的垃圾回收價(jià)值進(jìn)行增量收集,旨在平衡吞吐量和停頓時(shí)間。ZGC和Shenandoah收集器則采用了基于Region的復(fù)制算法,實(shí)現(xiàn)了幾乎全程并發(fā)的垃圾收集,極大地減少了停頓時(shí)間。
JVM提供了多種垃圾收集器,下面我們大概介紹下目前主流的幾種垃圾回收器及每種收集器的適用場景。
以上我們?cè)敿?xì)介紹了垃圾回收算法和主流的垃圾回收器,接下來我們?cè)敿?xì)介紹下在實(shí)際應(yīng)用中,該如何根據(jù)具體應(yīng)用特性進(jìn)行調(diào)優(yōu)。以下是一些調(diào)優(yōu)的通用策略:
JVM提供了豐富的GC相關(guān)參數(shù),通過調(diào)整這些參數(shù)(如新生代與老年代的比例、觸發(fā)Full GC的閾值等),可以微調(diào)垃圾收集的行為,優(yōu)化性能。
深入理解JVM的垃圾收集機(jī)制和各種垃圾收集器的特點(diǎn)是進(jìn)行有效性能調(diào)優(yōu)的前提。通過選擇合適的垃圾收集器并適當(dāng)調(diào)優(yōu),可以顯著提升Java應(yīng)用的性能,滿足不同場景下對(duì)響應(yīng)時(shí)間和吞吐量的需求。記住,沒有一勞永逸的解決方案,性能優(yōu)化是一個(gè)持續(xù)的過程,需要不斷地監(jiān)控、評(píng)估和調(diào)整。
波哥,互聯(lián)行業(yè)從業(yè)10余年,先后擔(dān)任項(xiàng)目總監(jiān)及架構(gòu)師。目前專攻技術(shù),喜歡研究技術(shù)原理。技術(shù)全面,主攻Java,精通JVM底層機(jī)制及Spring全家桶底層框架原理,熟練掌握當(dāng)前主流的中間件、服務(wù)網(wǎng)格等技術(shù)原理。
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