JVM的記憶體地區劃分以及記憶體回收機制詳解，jvm記憶體回收

JVM的記憶體地區劃分以及記憶體回收機制詳解，jvm記憶體回收

在我們寫Java代碼時，大部分情況下是不用關心你New的對象是否被釋放掉，或者什麼時候被釋放掉。因為JVM中有垃圾自動回收機制。在之前的部落格中我們聊過Objective-C中的MRC(手動引用計數)以及ARC(自動引用計數)的記憶體管理方式，下方會對其進行回顧。而目前的JVM的記憶體回收機制則不是使用的引用計數，而是主要使用的“複製式回收”和“自適應回收”。

當然除了上面是這兩種演算法外，還有其他是演算法，下方也將會對其進行介紹。本篇部落格，我們先簡單聊一下JVM的地區劃分，然後在此基礎上介紹一下JVM的記憶體回收機制。

 

一、JVM記憶體地區劃分簡述

當然本部分簡單的聊一下JVM的記憶體地區的劃分，為下方記憶體回收機制內容的展開進行鋪墊。當然對JVM記憶體地區劃分的內容網上有好多詳細的內容，請自行Google。

根據JVM記憶體地區的劃分，簡單的畫了下方的這個。地區主要分為兩大塊，一塊是堆區（Heap），我們所New出的對象都會在堆區進行分配，在C語言中的malloc所分配的方法就是從Heap區擷取的。而記憶體回收行程主要是對堆區的記憶體進行回收的。

而另一部分則是非堆區，非堆區主要包括用於編譯和儲存本地代碼的“代碼緩衝區(Code Cache)”、儲存JVM自己的待用資料的“永生代（Perm Gen）”、存放方法參數局部變數等引用以及記錄方法調用順序的“Java虛擬機器棧（JVM Stack）”和“本地方法棧（Local Method Stack）”。

　　

記憶體回收行程主要回收的是堆區中未使用的記憶體地區，並對相應的地區進行整理。在堆區中，又根據對象記憶體的存活時間或者對象大小，分為“年輕代”和“年老代”。“年輕代”中的對象是不穩定的易產生垃圾，而“年老代”中的對象比較穩定，不易產生垃圾。之所以將其分開，是分而治之，根據不同地區的記憶體塊的特點，採取不同的記憶體回收演算法，從而提高堆區的記憶體回收的效率。下方會給出具體的介紹。

 

 

二、常見的記憶體回收演算法簡介

上面我們簡單的瞭解的JVM中記憶體地區的劃分，接下來我們就來看一下幾種常見的記憶體回收演算法。當然，下方所介紹的記憶體回收的演算法不僅僅是JVM中所使用到的，我們還會回顧一下OC中的記憶體回收方式。下方主要包括“引用計數式回收”、“複製式回收”、“標記整理式回收”、“分代式回收”。

 

1、引用計數式記憶體回收

引用計數(Reference Count)式記憶體回收機制是Objective-C以及Swift語言中正在使用的記憶體回收機制，在之前的部落格中我們也詳細的聊過引用計數式的記憶體回收。只要有引用，那麼引用計數就加1。當引用計數為0時，該塊記憶體就會被回收。當然這中記憶體清理方式容易形成“引用迴圈”。

在Objective-C的引用計數中循環參考而造成記憶體泄露的問題，可以將變數聲明成weak或者strong類型。也就是說我們可以將引用定義為“強引用”或者“弱引用”。當出現“強引用迴圈”時，我們將其中的一個引用設定為weak類型即可，然後這種強引用迴圈就被打破了，也就不會造成“記憶體泄露”的問題。關於“引用計數式記憶體回收”的更多以及更詳細的內容，請參考之前發布的關於OC內容的相關部落格。

為了更清晰的瞭解引用計數的工作方式，就簡單的畫了下方這個圖。在左邊的棧中的a、b、c三個引用分別指向堆中的不同地區塊。在堆中的記憶體地區塊中，該地區有一個強引用時，其retainCount就會加1。而在弱引用時，就retainCount就不會加1。

我們先來看看a引用的第1塊記憶體地區，因為該記憶體塊只有a在強引用，所以retainCount=1，當a不在引用該記憶體地區時，retainCount=0，該記憶體會理解被回收的。這種情況下是不會造成記憶體泄露的。

我們再來看看b指向的記憶體地區2。b和記憶體塊3都強引用了記憶體塊2，所以2的retainCount=2。而記憶體塊2也強引用了記憶體塊3，所以3的retainCount=1。所以b指向的這塊記憶體地區就存在“強引用迴圈”，因為當b不再指向這塊記憶體地區時，rc=2就會變為rc=1。因為retainCount不為零，所以這2塊記憶體地區是不會被釋放的，2不會被釋放，那麼自然而然的3塊記憶體地區也不會被釋放，但是這塊記憶體地區有不會再被使用到了，所以就會造成“記憶體泄露”的情況。如果這兩塊記憶體地區特別大，那麼我們可想而知，後果是比較嚴重的。

像c引用的這塊情況，就不會引起“強引用迴圈”，因為其中的一個引用鏈是是弱引用的。當c不在引用第4塊記憶體時，rc由1變為零，那麼該塊地區就會被立即釋放。而記憶體塊4被釋放後，記憶體塊5的rc由1變為0，記憶體塊5也會被釋放掉。這種情況下是不會引起記憶體泄露的。而在Objective-C中正是採用的這種方式來回收記憶體的，當然了，在OC中除了“強引用”和“弱引用”外，還有自動釋放池。也就是說，Autorealease類型的引用，讓retainCount = 0時，不會被立即釋放掉，而是在出自動釋放池時才會被釋放掉，在此就不做過多贅述了。

　　

 

2、複製式記憶體回收

聊完引用計數回收，我們知道引用計數容易引起“循環參考”的問題，為瞭解決“循環參考”引起的記憶體泄露問題，OC中引入和“強引用”和“弱引用”的概念。接下來我們在看看複製式記憶體回收機制，在該機制中是不需要關心“循環參考”的問題的。簡單的說，複製式回收其核心就是“複製”，但前提是有條件複製。在記憶體回收時，將“活對象”複製到另一塊空白的堆區，然後將之前的地區一併清除。“活對象”就是指沿著對象的引用鏈可以到“棧”上的對象。當然在將活對象複製到新的“堆區”後，也要將棧區的引用進行修改。

下方就是我們畫的複製式回收的簡圖，主要將堆分為兩大部分，在進行記憶體回收時，會將一個堆上的活對象複製到另一個堆上。下方堆1區是目前正在使用的區塊，堆2區則是空閑區。而在堆1區中未被標記的那些記憶體塊，也就是2、3是要被回收的垃圾對象。而1、4、5是要被複製的“活對象”。因為沿著棧上的a可到達區塊1、沿著c可到達區塊4、5。而區塊2和3雖然有引用，但是不是來自非堆區，也就是2和3的引用都是來自堆區的引用，所以是要被回收的對象。

　　

找到了活對象後，接下來要做的就是將活對象進行複製，將其複製到堆2區。當然，複製到堆2區的對象間的記憶體位址是連續的，如果要分配新的記憶體空間的話，直接從堆閒置一段分配即可。這樣在分配記憶體空間時的效率是比較高的。對象複製後，要修改來自“非堆區”的引用地址。如下所示。

　　

複製完畢後，我們直接將堆2區的中的所有記憶體空間進行回收即可，下方就是複製回收後的最終結果。下方的堆1區清空後，可以接收複製過來的對象了。當對堆2區進行記憶體回收時，會把堆2區的活對象拷貝到堆1區上。

從該執行個體中我們可以看出當記憶體垃圾特別多的時候“複製式”記憶體回收的效率還是比較高的，因為複製的對象比較少，清除時直接將舊的堆空間進行清理即可。但是，當垃圾比較少的時候，這種方式會複製大量的活對象，效率還是比較低的。這種方式也會將堆的儲存空間進行分半。也就是說，總有一半是閒置，堆空間的利用率不高。

　　

 

3、標記-壓縮回收演算法

從上述“複製式”記憶體回收過程中，我們知道，垃圾多時其效率比較高，而垃圾少時，其工作方式效率是比較低的。那麼，接下來，我們來介紹另一種標記-壓縮回收演算法，這種演算法在垃圾少時的工作效率比較高，而垃圾多的情況下，工作效率反而不高，這就與“複製式”形成了互補。下方我們將會對標記-壓縮回收演算法進行介紹。

標記-壓縮的第一部就是標記，需要將堆區中的“活對象”進行標記。上面的內容我們已經聊了什麼是“活對象”，在此就不做過多贅述了。由“活對象”的特徵我們可以看出，下方的活對象是記憶體地區1和3，所以我們將其進行標記。

　　

標記完成後，我們就開始進行壓縮了，將活對象壓縮到“堆區”的一段，然後將剩餘的部分進行清除。下方就是將1和3這兩個活對象進行了壓縮。壓縮後，將下方的空間進行Clean。也就是說Clean的部分，就可以分配新的對象了。

　　

下方是標記-壓縮清理後的狀態。標記-壓縮式記憶體回收可充分利用堆區的空間，當垃圾比較少時，這種處理方式效率還是比較高的，如果垃圾太多片段化嚴重時，移動的“活對象”較多，效率比較低。這種方式可以與“複製式”結合使用，根據當前堆區的垃圾狀態來選擇哪種回收方式。正好與“複製式”形成優勢互補。將“複製式”、“標記-壓縮式”的回收方式進行整合的演算法，就是“分代式”記憶體回收機制，下方會詳細介紹到。

　　

 

4、分代式記憶體回收

“分代”即根據對象易產生垃圾的狀態或者對象的大小將其分為不同的代，可分為“年輕代”、“年老代”和“永久代”。“永久代”不在堆中，再次先不做討論。根據分代記憶體回收的特點，畫了下方的簡圖。

在堆中，主要把地區分為“年輕代”、“年老代”。位於“年輕代”的對象記憶體建立的時間不長，更新比較快，易產生“記憶體垃圾”，所以“年輕代”的記憶體回收使用“複製式”回收方式效率比較高。“年輕代”又可分為兩個區，一個是Eden Space（伊甸園）和Survivor Sprace（倖存者區）。Eden Space去主要存放那些初次被建立的對象，而Survivor Sprace存放的是從Eden Space倖存下來的“活對象”。在Survivor Sprace（倖存者區）中又分為form和to兩塊，用於相互複製對象來進行垃圾清理。

而“年老代”中存放的是一些“大對象”以及從Survivor Sprace中存活下來的“對象”，一般到“年老代”的對象比較穩定，產生垃圾較少，針對這種情況，使用“標記-壓縮”式回收效率比較高。“分代記憶體回收”主要是分而治之，根據不同對象的特點將其分類，根據分類的特點來具體選擇合適的記憶體回收方案。 

　　

 

三、分代式記憶體回收的具體工作原理

當然在JVM具體的記憶體回收時，根據線程分可分為使用單個線程回收的“串列記憶體回收”，使用多個線程回收的“並行記憶體回收”。根據程式的掛起狀態，又可分為“獨佔式回收”和“並髮式回收”。當然之前也多次聊過“並行”與“並發”絕對不是一個概念，切不可將其混淆。本篇部落格就不對上述這些方式進行詳述了，感興趣的，請自行Google。

下面我們來看一下“分代式記憶體回收”的具體工作原理的完整步驟，來直觀的感受一下“分代式”的記憶體回收的執行方式。

 

1、記憶體回收前

是等待“分代記憶體回收”的簡圖，從中，我們可以看出在堆中有些已指派的對象記憶體並沒有被棧上引用，這些就是要被回收的對象。我們可以看出，下方的堆，整體上分為“年輕代”和“年老代”，而年輕代，有可細分為Eden Space， From以及To三個地區。關於每個地區的作用，在上面介紹“分代記憶體回收”時，我們已經介紹過了，所以在此部分我們不做詳細介紹了。

　　

 

2、分代記憶體回收

是對上述堆控制項的記憶體回收過程。因為我們有可以看出，To地區是空白區，可以接受被複製的對象。由於“年輕代”易產生記憶體垃圾，所以採用“複製式”記憶體回收的方式。我們將Eden Space和From兩個堆區塊中的“活對象”拷貝到To區。拷貝的同時，我們也要修改被拷貝記憶體的棧引用地址。而對From或者Eden地區的“大對象”儲存空間直接將其複製到“年老代”。因為“大對象”在From與To區多次複製的效率比較低，直接將其加入到“年老代”中以提高回收效率。

對於“年老代”的記憶體回收，就採用“標記-壓縮”式記憶體回收。首先，先將活對象進行“標記”。

　　

 

3、記憶體回收後的結果

下方就是“分代”記憶體回收後的具體結果。從下方簡圖中，我們可以看出，Eden Space和From中的活對象都被複製到了To區，而“年老代”的堆區的儲存空間也變化不少。而且在“年老代”中多出了從From區複製過來的大對象。具體如下所示。

　　

 

 

四、Eclipse的GC日誌配置與分析

上面聊這麼多，接下來我們來直觀的感受一下在Eclipse如何查看記憶體回收的過程以及分析記憶體回收的日誌資訊。預設情況下，是不顯示記憶體回收的過程以及列印日誌的，需要在回合組態中添加相關的配置項來將記憶體回收的日誌進行列印。本部分我們來看一下Eclipse中的記憶體回收日誌記錄的配置，然後我們來分析一下這些日誌記錄。當然我們本篇部落格中使用的是Java8，如果你用其他版本的Java列印出來的日誌資訊會略有不同，好開始本部分的內容。

1、配置Eclipse的回合設定

在Eclipse中的回合設定中添加相應的配置項，記憶體回收時才會列印相應的日誌資訊。選擇我們的工程，然後找到Run Configurations…選項，進行運行時的配置。

　　

 

下方就是上述選項開啟的對話方塊，然後找到(x)=Arguments這個標籤欄，在VM arguments中添加相應的虛擬機器參數，這些參數都會作為工程在運行時的參數。下方我們添加了-XX:+PrintGCTimeStamps和-XX:+PrintGCDetails兩個參數。由這兩個參數名我們不難看出相應參數所對應的功能，一個是列印記憶體回收時的時間戳記，另一個是列印記憶體回收時的細節。當然還有好多其他的參數，比如選擇“記憶體回收”時的具體演算法的參數，以及選擇是“串列”還是“並行”的參數，還有一些選擇是“獨佔式”還是“並髮式”記憶體回收的參數。在此就不做過多贅述了，請自行Google。

　　

 

2、回收日誌的列印與解析

配置完上述參數後，當我們使用System.gc(); 來進行強制記憶體回收時，會列印出相應的參數資訊。首先我們得建立測試用的代碼，下方就是我們所建立的測試類別，當然測試類別中的代碼比較簡單。主要就是new了以字串，然後將引用置為null, 最後調用System.gc()進行回收。具體代碼如下所示:

package com.zeluli.gclog;public class GCLogTest {    public static void main(String[] args) {        String s = new String("Value");        s = null;        System.gc();    }}

 

下方就是上述代碼所啟動並執行效果，接下來我們將對下方日誌資訊的主要內容進行介紹。

• [PSYoungGen: 1997K->416K(38400K)] 1997K->424K(125952K), 0.0010277 secs]

  • PSYoungGen表示，並行對“年輕代”進行回收，1997K->416K表示年輕代相應地區中“回收前->回收後”的大小，而（38400K）表示“年輕代”堆的總大小。而後方的1997K->424K(125952K)資料是以整個堆的角度來看待的問題。1997K(堆回收前使用的記憶體) -> 424K(堆回收後使用的記憶體)(125952K-堆的總記憶體空間)。

• [ParOldGen: 8K->328K(87552K)]

  • ParOldGen並行回收“年老代”，後邊的參數與上述並行回收年輕代的參數類似，就不多說了。
• [Metaspace: 2669K->2669K(1056768K)]
  • 則表示“中繼資料區”的回收情況，Metaspace及“永久代”區，用於存放待用資料或者系統方法的地區。　　

　　

 

上述就是簡單的記憶體回收的日誌，本篇部落格的內容就先到這兒吧，關於JVM中的記憶體回收的內容還有好多，以後結合著具體情況，再陸陸續續的進行介紹。今天部落格就先到這兒。