JVM内存管理和垃圾收集

来源：http://liuxuan.info/blog/2011/04/03/jvm-memory-management-and-gc/

一.Java基本类型和类的大小

1.Java手册上的类型大小

byte : 8-bit
short : 16-bit
Int : 32-bit
long : 64-bit
char : 16 bit unsigned integer
float : 32-bit
double: 64-bit
boolean: 1-bit

2.实际存储大小(根据JVM实现而定)

Byte : 16 bytes
Short : 16 bytes
Integer : 16 bytes
Long : 16 bytes
Character : 16 bytes
Float : 16 bytes
Double : 16 bytes
Boolean : 16 bytes
Object ：8 bytes

二.JVM的堆结构

运行时数据区域，所有类实例和数组的内存均从此处分配，由Java 虚拟机启动时创建。对象的堆内存由称为垃圾回收器的自动内存管理系统回收。

堆由两部分组成:

Eden+From Space+To Space也叫做Young Generation(年轻代),Tenured Space也叫做Old Generation(老年代)。

Survivor Space包括S0和S1。

Permanent Space(方法区)： JVM具有一个由所有线程共享的方法区。它存储每个类结构，如运行时常数池、字段和方法数据，以及方法和构造方法的代码，它是在Java虚拟机启动时创建的，不包括在JVM堆内，默认为4M。

这个区域主要存放：

1.Class的信息

包名
父类的包名
类或接口
类型修饰符
父接口包名
2.其它信息

类型的常量池
属性
方法
类里的静态变量(除了常量)
一个指向ClassLoader的引用
一个指向Class类的引用
三.GC的工作流程

绝大多数情况下对象初始化被分配在Eden中(一个非常大的对象会被分配在老年代中)。
如果Eden空间占满了， 会触发 minor GC。 Minor GC 后仍然存活的对象会被复制到S0中去。这样Eden就被清空可以分配给新的对象。
又触发了一次 Minor GC ， S0和Eden中存活的对象被复制到S1中， 并且S0和Eden被清空。 在同一时刻, 只有Eden和一个Survivor Space同时被操作。
当每次对象从Eden复制到Survivor Space或者从Survivor Space中的一个复制到另外一个，有一个计数器会自动增加值。 默认情况下如果复制发生超过16次， JVM 会停止复制并把他们移到老年代中去。
如果一个对象不能在Eden中被创建，它会直接被创建在老年代中。 如果老年代的空间被占满会触发老年代的 GC，也被称为 Full GC。full GC 是一个压缩处理过程，所以它比Minor GC要慢很多。
四.GC算法

Serial Collector
大部分平台或者强制java -client默认会使用这种。 Young Generation = Serial Old Generation = Serial (Mark-Sweep-Compact) 这种方法的缺点很明显，Stop-the-world, 速度慢。服务器应用不推荐使用。

Parallel Collector
在Linux x64上默认是这种算法，其他平台要加java -server参数。 Young Generation = parallel，多个thread同时copy Old Generation = Mark-Sweep-Compact = 1 优点：新生代回收更快。因为系统大部分时间做的GC都是新生代的，这样提高了Throughput(CPU用于非GC时间)。 缺点：当运行在8G/16G Server 上 Old Generation 存活对象太多的时候暂停时间(Pause Time)过长。

Parallel Compacting Collector (ParallelOld)
Young Generation = parallel Old Generation = parallel 优点：Old Generation 上性能较 Parallel Collector 方式有提高。 缺点：大部分Server系统Old Generation内存占用会达到60%-80%, Compact方面开销比起Parallel Collector并没明显减少。

Concurent Mark-Sweep(CMS) Collector (low-latency collector)
Young Generation = parallel Old Generation = CMS 同时不做 compact 操作。 优点：Pause Time会降低, Pause Time敏感但CPU有空闲的场景需要建议使用策略4。 缺点：CPU占用过多，CPU密集型服务器不适合。需要更大的堆空间，会造成很多碎片。

五.JVM的默认设置

1.堆（heap）即（New Generation 和Old Generaion 之和）的设置

初始分配的内存由-Xms指定，默认是物理内存的1/64但小于1G。

最大分配的内存由-Xmx指定，默认是物理内存的1/4但小于1G。

默认空余堆内存小于40%时，JVM就会增大堆直到-Xmx的最大限制，可以由-XX:MinHeapFreeRatio指定。

默认空余堆内存大于70%时，JVM会减少堆直到-Xms的最小限制，可以由-XX:MaxHeapFreeRatio指定。

服务器一般设置-Xms、-Xmx相等以避免在每次GC后调整堆的大小，所以上面的两个参数没啥用。

-Xmn设置Young Generation的heap大小

-XX:MinHeapFreeRatio与-XX:MaxHeapFreeRatio设定空闲内存占总内存的比例范围，这两个参数会影响GC的频率和单次GC的耗时。-XX:NewRatio决定Young与Old Generation的比例。Young generation空间越大，Minor GC频率越低，但是Old Generation空间小了，又可能导致Major GC频率增加。-XX:NewSize和-XX:MaxNewSize直接指定了Young Generation的缺省大小和最大大小。

2.非堆内存的设置

默认分配为64M

-XX:PermSize设置最小分配空间，-XX:MaxPermSize设置最大分配空间。一般把这两个数值设为相同，以减少申请内存空间的时间。

六.GC调优

参考：GC调优例子

设置Xms=Xmx=3/4物理内存，-Xmn为1/4的-Xmx值
如果是CPU密集型服务器，使用–XX:+UseParallelOldGC, 否则–XX:+UseConcMarkSweepGC
新生代,Parallel/ParallelOld可设大于Xmx1/4，CMS可设小，小于Xmx1/4
经验之谈：通常情况下，JVM堆的大小应为物理内存的80%
七.Dump heap

1.Linux下：jmap -dump:file=xxx.hprof pid，其中pid通过ps -aux命令查看

2.命令行:jstat -gcutil pid p1 p2，其中p1表示每多少毫秒打印一次；p2表示一共打印几次。

输出的参数含义：

S0：Heap上的 Survivor space 0 段已使用空间的百分比
S1：Heap上的 Survivor space 1 段已使用空间的百分比
E： Heap上的 Eden space 段已使用空间的百分比
O： Heap上的 Old space 段已使用空间的百分比
P： Perm space 已使用空间的百分比
YGC：从程序启动到采样时发生Young GC的次数
YGCT：Young GC所用的时间(单位秒)
FGC：从程序启动到采样时发生Full GC的次数
FGCT：Full GC所用的时间(单位秒)
GCT：用于垃圾回收的总时间(单位秒)
jstat 命令其他参数含义：

jstat -class pid:显示加载class的数量，及所占空间等信息。
jstat -compiler pid:显示VM实时编译的数量等信息。
jstat -gc pid:可以显示gc的信息，查看gc的次数，及时间。其中最后五项，分别是young gc的次数，young gc的时间，full gc的次数，full gc的时间，gc的总时间。
jstat -gccapacity:可以显示，VM内存中三代（young,old,perm）对象的使用和占用大小，如：PGCMN显示的是最小perm的内存使用量，PGCMX显示的是perm的内存最大使用量，PGC是当前新生成的perm内存占用量，PC是但前perm内存占用量。其他的可以根据这个类推， OC是old内纯的占用量。
jstat -gcnew pid:new对象的信息。
jstat -gcnewcapacity pid:new对象的信息及其占用量。
jstat -gcold pid:old对象的信息。
jstat -gcoldcapacity pid:old对象的信息及其占用量。
jstat -gcpermcapacity pid: perm对象的信息及其占用量。
jstat -util pid:统计gc信息统计。
jstat -printcompilation pid:当前VM执行的信息。
3.GC Log

-Xloggc:d:\gc.log -XX:+PrintGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps – add time stamp

八.Out of Memory - java.lang.OutOfMemoryError

1.Java heap space

Configuration issue: -Xmx
Memory Leak: The excessive use of finalizers
PermGen space: Too many classes-XX:MaxPermSize
Requested array size exceeds VM limit: Need a so big array?
Request bytes for : Out of swap space?
Native Memory Leak
(Native method)
Native Memory Allocation Issue
2.Perm Memory Leak

(1)Too Many Interned String

String.intern()
Constant String will be interned implicitly
No Enough Info provided by Heap Dump on Interned String
If Perm Memory increased dynamically, be careful
(2)Too Many Classes or Class Load Leak

Enlarge the perm generation
Avoid duplicated class loader
3.Out of Swap Space

Enlarge the swap space
Systems with 4GB of ram or less require a minimum of 2GB of swap space
Systems with 4GB to 16GB of ram require a minimum of 4GB of swap space
For Unix Family OS, use pmdump or pmap, libumem for Solaris