Java虚拟机（3）自动内存管理机制

概要

在Java技术体系中，自动内存管理最终可以归结为自动化地解决了两个问题：给对象分配内存以及回收分配给对象的内存。

本文主要探讨给对象分配内存这点事。对象的内存分配，往大的方向上讲，就是在堆上分配。但是也有一些情况会在栈上分配和在TLAB上分配等。所以分配的规则并不是百分百固定的，其细节取决于当前使用的是哪一种GC组合和虚拟机中与内存相关的参数的设置。

本文主要介绍几条最普遍的内存分配规则，并结合代码来验证这些规则。常见的内存分配规则有以下几条：

• 对象优先分配在Eden分配
• 大对象直接进入老年代
• 长期存活的对象进入老年代
• 动态对象年龄判定

先来看一副图

现代商业虚拟机都将Java堆分为新生代和老年代，在新生代中，一般采用复制算法。在老年代中，一般采用标记-整理算法。

新生代的堆空间又划分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间如上图所示，每次只使用Eden和其中的一块Survivor(因为采用复制算法，所以另外一块Survivor拿来做保留区域)。HotSpot虚拟机默认Eden和Survivor的大小比例为8:1，就是说每次新生代中可用内存空间为整个新生代容量的90%，只有10%的内存是会被“浪费”的。当然，98%的对象可回收只是一般场景下的数据，我们没有办法保证每次回收都只有不多于10%的对象存活，当Survivor空间不够用时，需要依赖其他内存（这里指老年代）来进行分配担保，一般情况下的GC策略如下图：

废话少说，下面开始正文

对象优先分配在Eden分配

先运行下面代码，然后结合日志来分析。以下代码的开头都注释了执行时所需要设置的虚拟机启动参数,这些参数对实验结果有直接影响,请调试代码的时候不要忽略掉.本例子介绍的比较详细，后面几个例子中重复的内容就不在细讲。

public class TestGC1 {

       private static final int _1MB = 1024*1024;

       /**

       * VM ARGS: -verbose:gc - Xms20m -Xmx20m -Xmn10m - XX:SurvivorRatio=8 -XX:+PrintGCDetails

       */

       public static void testAllocation(){

             byte[] allocation1, allocation2,allocation3 ,allocation4;

            allocation1 = new byte [2 * _1MB];

            allocation2 = new byte [2 * _1MB];

            allocation3 = new byte [2 * _1MB];

            allocation4 = new byte [4 * _1MB];

      }

       public static void main(String[] args) {

             testAllocation();

      }

}

查看输出日志

先解释一下各个参数的意义：
-verbose:gc 表示输出虚拟机中的GC的情况 (红色方框部分)
-Xms20m 表示初始堆初始值
-Xmx20m 表示初始堆最大值 (-Xms和-Xmx的值相等时，表明堆空间大小为20m且不可扩展)
-Xmn10m 表示老年代的堆大小
-XX:SurvivorRatio=8 表明新生代中Eden区和Survivor区的空间比例为8:1
-XX:+PrintGCDetails 打印GC详细情况(蓝色方框部分)

在testAllocation()方法中，尝试分配3个2MB大小和1个4MB大小的对象。当分配allocation4对象时候发生一次Minor GC.详细情况看日志（红色方框部分），关于各个数字的解释参考http://blog.csdn.net/alivetime/article/details/6895537 。这次GC的结果是新生代从6487KB变为149KB,而总内存占用量则几乎没有减少(因为allocation1,allocation2,allocation3三个对象都依旧存活)。这次MinorGC发生的原因是给allocation4分配内存的时候，发现Eden已经被占用了6MB，剩下的2MB不足已分配，因此发生Minor GC.
GC期间虚拟机又发现已有的3个2MB大小的对象无法存入Survior空间，所以只好通过分配担保机制提前转移到老年代中去。
此时，老年代的空间为10MB足够分配给3个2MB大小的对象，因此不会执行Full GC
接下来，虚拟机又会查看HandlePromotionFailure设置是否允许担保失败，默认设置为ture。所以最终执行Minor GC。执行过程如下图红色线头所示

这次GC结束后，4MB的allocation4对象被顺利分配在Eden中。因此程序执行完的结果是Eden占用4MB，Survivor空间，老年代被占用6MB。

大对象直接进入老年代

先运行代码并输出日志

public class TestGC2 {

       private static final int _1MB = 1024*1024;

       /**

       * VM ARGS: - verbose:gc - Xms20m -Xmx20m - Xmn10m - XX:SurvivorRatio=8 - XX:+PrintGCDetails

       * - XX:PretenureSizeThreshold=3145728

       */

       public static void testPretenureSizeThreshold(){

             byte [] allocation;

            allocation = new byte [4 * _1MB];

      }

       public static void main(String[] args) {

             testPretenureSizeThreshold();

      }

}

输出GC日志如下

Heap

def new generation total 9216K, used 507K [0x315e0000, 0x31fe0000, 0x31fe0000)

eden space 8192K, 6% used [0x315e0000, 0x3165ef18, 0x31de0000)

from space 1024K, 0% used [0x31de0000, 0x31de0000, 0x31ee0000)

to space 1024K, 0% used [0x31ee0000, 0x31ee0000, 0x31fe0000)

tenured generation total 10240K, used 4096K [0x31fe0000, 0x329e0000, 0x329e0000)

the space 10240K, 40% used[0x31fe0000, 0x323e0010, 0x323e0200, 0x329e0000)

虚拟机提供了一个-XX:PretenureSizeThreshold参数，令大于这个设置的对象直接分配到老年代中。所以在testPretenureSizeThreshold()方法中 4MB的allocation对象被之间分配到老年代中。日志红色部分证明这一点

长期存活的对象进入老年代

为了能够识别哪些对象应当放在新生代，哪些对象应该放在老年代，虚拟机给每个对象定义了一个对象年龄技术器。
如果对象在Eden出生并经过第一次Minor GC后仍然能够存活，并且能被Survivor容纳的话，将被移动到Survivor空间中，并将对象年龄设为1.对象在Survivor中每熬过一次MinorGC,年龄就增加1岁，当它的年龄增加到一定程度（默认为15岁），就会被晋升到老年代中。对象晋升到老年代的年龄阈值，可以通过参数-XX:MaxTenuringThreshold来设置。

下面分别以 MaxTenuringThreshold=1和 MaxTenuringThreshold=15运行下面代码并输出GC日志

public class TestGC3 {

       private static final int _1MB = 1024*1024;

       /**

       * VM ARGS: - verbose:gc - Xms20m -Xmx20m - Xmn10m - XX:SurvivorRatio=8 - XX:+PrintTenuringDistribution

       * - XX:MaxTenuringThreshold=1 - XX:+PrintGCDetails

       */

       public static void testMaxTenuringThreshold(){

             byte [] allocation1, allocation2,allocation3 ;

            allocation1 = new byte [ _1MB / 4];

            allocation2 = new byte [ _1MB * 4];

            allocation3 = new byte [ _1MB * 4];

            allocation3 = null ;

            allocation3 = new byte [ _1MB * 4];

      }

       public static void main(String[] args) {

             testMaxTenuringThreshold();

      }

以MaxTenuringThreshold=1运行输出日志

[GC [DefNew

Desired survivor size 524288 bytes, new threshold 1 (max 1)

- age 1: 415288 bytes, 415288 total

: 4695K->405K(9216K), 0.0064338 secs] 4695K->4501K(19456K), 0.0064885 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

[GC [DefNew

Desired survivor size 524288 bytes, new threshold 1 (max 1)

- age 1: 136 bytes, 136 total

: 4665K->0K(9216K), 0.0013172 secs] 8761K->4501K(19456K), 0.0013602 secs] [Times: user=0.00 sys=0.02, real=0.02 secs]

Heap

def new generation total 9216K, used 4260K [0x315e0000, 0x31fe0000, 0x31fe0000)

eden space 8192K, 52% used [0x315e0000, 0x31a08fe0, 0x31de0000)

from space 1024K, 0% used[0x31de0000, 0x31de0088, 0x31ee0000)

to space 1024K, 0% used [0x31ee0000, 0x31ee0000, 0x31fe0000)

tenured generation total 10240K, used 4501K [0x31fe0000, 0x329e0000, 0x329e0000)

the space 10240K, 43% used[0x31fe0000, 0x32445578, 0x32445600, 0x329e0000)

以MaxTenuringThreshold=15运行输出日志

[GC [DefNew

Desired survivor size 524288 bytes, new threshold 15 (max 15)

- age 1: 415288 bytes, 415288 total

: 4695K->405K(9216K), 0.0064799 secs] 4695K->4501K(19456K), 0.0065357 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

[GC [DefNew

Desired survivor size 524288 bytes, new threshold 15 (max 15)

- age 1: 136 bytes, 136 total

- age 2: 415080 bytes, 415216 total

: 4665K->405K(9216K), 0.0011127 secs] 8761K->4501K(19456K), 0.0011722 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.02 secs]

Heap

def new generation total 9216K, used 4665K [0x315e0000, 0x31fe0000, 0x31fe0000)

eden space 8192K, 52% used [0x315e0000, 0x31a08fe0, 0x31de0000)

from space 1024K, 39% used[0x31de0000, 0x31e455f0, 0x31ee0000)

to space 1024K, 0% used [0x31ee0000, 0x31ee0000, 0x31fe0000)

tenured generation total 10240K, used 4096K [0x31fe0000, 0x329e0000, 0x329e0000)

the space 10240K, 40% used[0x31fe0000, 0x323e0010, 0x323e0200, 0x329e0000)

在方法testMaxTenuringThreshold()中，对象allocation1需要256KB的内存空间。当MaxTenuringThreshold=1时，allocation1对象在第二次GC发生时进入老年，新生代的Survivor空间变为0KB。
当MaxTenuringThreshold=15时，allocation1对象在第二次GC发生时仍然留在新生代，新生代的Survivor空间变为404KB

动态对象年龄判定

为了能更好地适应不同程序的内存情况，虚拟机并不总是要求对象的年龄必须达到MaxTenuringThreshold才能晋升老年代。如果在Survivor空间中相同年龄所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代，无须等到MaxTenuringThreshold要求的年龄。
运行下面代码并输出GC日志

public class TestGC4 {

       private static final int _1MB = 1024*1024;

       /**

       * VM ARGS: - verbose:gc - Xms20m -Xmx20m - Xmn10m - XX:SurvivorRatio=8 - XX:+PrintTenuringDistribution

       * - XX:MaxTenuringThreshold=1 - XX:+PrintGCDetails

       */

       public static void testMaxTenuringThreshold(){

             byte [] allocation1, allocation2,allocation3 ,allocation4;

            allocation1 = new byte [ _1MB / 4];

            allocation2 = new byte [ _1MB / 4];

            allocation3 = new byte [ _1MB * 4];

            allocation4 = new byte [ _1MB * 4];

            allocation4 = null ;

            allocation4 = new byte [ _1MB * 4];

      }

       public static void main(String[] args) {

             testMaxTenuringThreshold();

      }

}

输出GC日志

[GC [DefNew

Desired survivor size 524288 bytes, new threshold 1 (max 15)

- age 1: 677448 bytes, 677448 total

: 4951K->661K(9216K), 0.0066603 secs] 4951K->4757K(19456K), 0.0067187 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

[GC [DefNew

Desired survivor size 524288 bytes, new threshold 15 (max 15)

- age 1: 136 bytes, 136 total

: 4921K->0K(9216K), 0.0014790 secs] 9017K->4757K(19456K), 0.0015298 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

Heap

def new generation total 9216K, used 4260K [0x315e0000, 0x31fe0000, 0x31fe0000)

eden space 8192K, 52% used [0x315e0000, 0x31a08fe0, 0x31de0000)

from space 1024K, 0% used[0x31de0000, 0x31de0088, 0x31ee0000)

to space 1024K, 0% used [0x31ee0000, 0x31ee0000, 0x31fe0000)

tenured generation total 10240K, used 4757K [0x31fe0000, 0x329e0000, 0x329e0000)

the space 10240K, 46% used[0x31fe0000, 0x32485588, 0x32485600, 0x329e0000)

在日志中，我们发现Survivor空间的使用率为0，也就是说allocation1，allocation2对象都进入到了老年代中，而没有等到15岁的年龄。

---------------------------------------------全文完----------------------------------------------------