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Java Memory Management and Optimization

垃圾回收机制主要完成下面两件事情:

跟踪并监控每个Java对象,当某个对象处于不可达状态时,回收该对象所占用的内存;

清理内存分配,回收过程中产生的内存碎片。

实际上,垃圾回收机制不可能实时检测到每个Java对象的状态,因此当一个对象失去引用后,它也不会被立即回收,只有等垃圾回收运行时才会被回收。

对于一个垃圾回收器的设计算法来说,大致有如下可供选择的设计。

串行回收(Serial)和并行回收(Parallel):穿行回收就是不管系统有多少个CPU,始终只用一个CPU来执行垃圾回收操作;而并行回收就是把整个回收工作拆分成多个部分,每个部分由一个CPU负责,从而让多个CPU并行回收。并行回收的执行效率很高,但复杂度增加,另外也有其他一些副作用,比如内存碎片也会增加。
并发执行(Concurrent)和应用程序停止(Stop-the-world):Stop-the-world的垃圾回收方式在执行垃圾回收的同时会导致应用程序的暂停。并发执行的垃圾回收虽然不会导致应用程序的暂停,但由于并发执行垃圾回收需要解决和应用程序的执行冲突(应用程序可能会在垃圾回收的过程中修改对象),因此并发执行垃圾回收的系统开销比stop-the-world更高,并且需要更多的堆内存。
压缩和不压缩和复制:为了减小内存碎片,支持压缩的垃圾回收器会把所有的活对象搬迁到一起,然后将之前占用的内存全部回收。不压缩式的垃圾回收器只是回收内存,这样回收回来的内存不可能是连续的,因此将会有较多的内存碎片。较之压缩式的垃圾回收,不压缩式的垃圾回收回收内存块,而分配内存时就会更慢,而且无法解决内存碎片的问题。复制式的垃圾回收会将所有可达对象复制到另一块相同的内存中,这种方式的优点是垃圾回收过程不会产生内存碎片,但缺点也很明显,需要复制数据和额外的内存。
复制:将堆内分成两个相同空间,从根(有向图的起始节点)开始访问每一个关联的柯达对象,将空间A的柯达对象全部复制到空间B,然后一次性回收整个空间A。对于复制算法而言,因为只需访问所有的可达对象,将所有可达对象复制走之后就回收整个空间,完全不用理会那些不可达的对象,所以遍历空间的成本较小,但需要巨大的复制成本和较多的内存。

不压缩:标记清除(mark-sweep),垃圾回收器从根开始访问所有柯达对象,将它们标记为可达状态,然后再遍历一次整个内存区域,把所有没有标记为可达的对象进行回收处理。标记清除无需进行大规模的复制操作,而且内存利用率高。但这些算法需要两次遍历堆内存空间,遍历的成本较大,因此造成应用程序暂停的事件随堆空间大小线性增大。而且垃圾回收回来的内存往往是不连续的,因此整理后堆内存里的碎片很多。

压缩:标记压缩(mark-sweep-compact):这种方式充分利用上述两种算法的优点,垃圾回收器先从根开始访问所有可达对象,将它们标记为可达状态。接下来垃圾回收器会将这些活动对象搬迁在一起,这个过程也被称为内存压缩,然后垃圾回收机制再次回收那些不可达对象所占用的内存空间,这样就避免了回收产生的内存碎片。

现行的垃圾回收器用分代的方式来采用不同的回收设计。分代的基本思路是根据对象生存事件的长短,把堆内存分为3个代:

Young;Old;Permanent。

垃圾回收器会根据不同代的特点采用不同的回收算法,从而充分利用各种回收算法的优点。

分代回收的一个依据就是对象生存时间的长短,然后再根据不同代采取不同的垃圾回收策略。采用分代策略基于两个事实:

绝大多数的对象不会被长时间引用,这些对象在其Young期间就会被回收。
很老的对象(生存时间很长)和很新的对象(生存时间很短)之间很少存在相互引用的情况。
Young代
对于Young代采用复制算法只需遍历那些处于可达状态的对象,而且这些对象的数量较少,可复制成本也不大,因此可以充分发挥复制算法的优点。Young代由1个Eden区和2个Survivor区构成。绝大多数对象先分配到Eden区中,Survivor区中的对象都至少在Young代中经历过一次垃圾回收,所以这些对象在被转移到Old代之前会先保留在Survivor空间中。同一时间2个Survivor空间中有一个用来保存对象,而另一个是空的,用来在下次垃圾回收时保存Young代中的对象。每次复制就是将Eden和第一个Survivor的可达对象复制到第2个Survivor区,然后清空Eden与第1个Survivor区。Eden与 Survivor的比例通过-XX:SurvivorRatio附加选项来设定,默认为32.如果Survivor太大会产生浪费,太小则会使一些Young代的对象提前进入Old代。

Old代
如果Young代中对象经过数次垃圾回收依然还没有被回收掉,即这个对象经过足够长的时间还处于可达状态,垃圾回收机制就会将这个对象转移到Old代。Old代的空间比Yound代要大很多。

Old代的垃圾回收两个特征:

1.      Old代垃圾回收的执行频率无需太高,因为很少有对象会死掉。

2.      每次对Old代执行垃圾回收需要更长的时间来完成。

基于以上考虑,垃圾回收器通常会使用标记压缩算法。这种算法可以避免复制Old代的大量对象,而且Old代的对象不会很快死亡,回收过程不会大量地产生内存碎片,因此相对比较划算。

Permanent代
Permanent代主要用于装载Class,方法等信息,默认为64M,垃圾回收机制通常不会回收Permanent代中的对象。对于那些需要加载很多类的服务器程序,往往需要加大Permanent代内存,否则可能因为内存不足而导致程序终止。对于像Hibernate,Spring这类喜欢AOP动态生成类的框架,往往会生成大量的动态代理类,因此需要更多的Permanent代内存。如果遇到java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space的错误,这就是由Permanent代内存耗尽所导致的错误。

当Young代的内存将要用完的时候,垃圾回收机制会对Young代进行垃圾回收,垃圾回收机制会采用较高的频率对Young代进行扫描和回收。因为这种回收的系统开销比较小,因此也被称为次要回收(MINOR collection)。当Old代的内存将要用完时,垃圾回收机制会进行全回收,也就是对Young代和Old代都要进行回收,此时回收成本就大得多了,因此也称为主要回收(Major Collection)。

 

补充:软件开发 , Java ,
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