从 Java 代码到 Java 堆 理解和优化您的应用程序的内存使用

从 Java 代码到 Java 堆

理解和优化您的应用程序的内存使用

https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-codetoheap/

 

优化应用程序代码的内存使用并不是一个新主题，但是人们通常并没有很好地理解这个主题。本文将简要介绍 Java 进程的内存使用，随后深入探讨您编写的 Java 代码的内存使用。最后，本文将展示提高代码内存效率的方法，特别强调了 HashMap 和 ArrayList 等 Java 集合的使用。

背景信息：Java 进程的内存使用

参考知识

如需进一步了解 Java 应用程序的进程内存使用，请参阅 Andrew Hall 撰写的 developerWorks 文章 “内存详解”。这篇文章介绍了 内存详解 以及 AIX® 提供的布局和用户空间，以及 Java 堆和本机堆之间的交互。

通过在命令行中执行 java 或者启动某种基于 Java 的中间件来运行 Java 应用程序时，Java 运行时会创建一个操作系统进程，就像您运行基于 C 的程序时那样。实际上，大多数 JVM 都是用 C 或者 C++ 语言编写的。作为操作系统进程，Java 运行时面临着与其他进程完全相同的内存限制：架构提供的寻址能力以及操作系统提供的用户空间。

架构提供的内存寻址能力依赖于处理器的位数，举例来说，32 位或者 64 位，对于大型机来说，还有 31 位。进程能够处理的位数决定了处理器能寻址的内存范围：32 位提供了 2^32 的可寻址范围，也就是 4,294,967,296 位，或者说 4GB。而 64 位处理器的可寻址范围明显增大：2^64，也就是 18,446,744,073,709,551,616，或者说 16 exabyte（百亿亿字节）。

处理器架构提供的部分可寻址范围由 OS 本身占用，提供给操作系统内核以及 C 运行时（对于使用 C 或者 C++ 编写的 JVM 而言）。OS 和 C 运行时占用的内存数量取决于所用的 OS，但通常数量较大：Windows 默认占用的内存是 2GB。剩余的可寻址空间（用术语来表示就是用户空间 ）就是可供运行的实际进程使用的内存。

对于 Java 应用程序，用户空间是 Java 进程占用的内存，实际上包含两个池：Java 堆和本机 （非 Java）堆。Java 堆的大小由 JVM 的 Java 堆设置控制：-Xms 和 -Xmx 分别设置最小和最大 Java 堆。在按照最大的大小设置分配了 Java 堆之后，剩下的用户空间就是本机堆。图 1 展示了一个 32 位 Java 进程的内存布局：

图 1. 一个 32 位 Java 进程的内存布局示例

在 图 1 中，可寻址范围总共有 4GB，OS 和 C 运行时大约占用了其中的 1GB，Java 堆占用了将近 2GB，本机堆占用了其他部分。请注意，JVM 本身也要占用内存，就像 OS 内核和 C 运行时一样，而 JVM 占用的内存是本机堆的子集。

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Java 对象详解

在您的 Java 代码使用 new 操作符创建一个 Java 对象的实例时，实际上分配的数据要比您想的多得多。例如，一个 int 值与一个 Integer 对象（能包含 int 值的最小对象）的大小比率是 1:4，这个比率可能会让您感到吃惊。额外的开销源于 JVM 用于描述 Java 对象的元数据，在本例中也就是 Integer 。

根据 JVM 的版本和供应的不同，对象元数据的数量也各有不同，但其中通常包括：

• 类 ：一个指向类信息的指针，描述了对象类型。举例来说，对于 java.lang.Integer 对象，这是 java.lang.Integer 类的一个指针。
• 标记 ：一组标记，描述了对象的状态，包括对象的散列码（如果有），以及对象的形状 （也就是说，对象是否是数组）。
• 锁 ：对象的同步信息，也就是说，对象目前是否正在同步。

对象元数据后紧跟着对象数据本身，包括对象实例中存储的字段。对于 java.lang.Integer 对象，这就是一个 int 。

如果您正在运行一个 32 位 JVM，那么在创建 java.lang.Integer 对象实例时，对象的布局可能如图 2 所示：

图 2. 一个 32 位 Java 进程的 java.lang.Integer 对象的布局示例

如 图 2 所示，有 128 位的数据被占用，其中用于存储 int 值的为 32 位，而对象元数据占用了其余的 96 位。