【JAVA】JVM中的内存管理详解

JVM中的内存管理详解

JVM的内存管理是确保Java程序高效运行的重要机制。它自动管理内存分配和回收，帮助开发者避免内存泄漏和其他内存管理问题。JVM的内存分为多个区域，各自负责不同的任务。

1. JVM内存结构

JVM的内存主要分为以下几个区域：

• 方法区（Method Area）：存储已加载的类信息、常量、静态变量和方法代码。方法区属于线程共享区域。
• 堆区（Heap Area）：用于存储所有的对象实例和数组，是内存管理的核心区域，所有线程共享此区域。
• 虚拟机栈（JVM Stack）：每个线程有一个独立的虚拟机栈，存储局部变量、操作数栈、动态链接、方法出口等。每次方法调用都会创建一个栈帧用于存储这些数据。
• 程序计数器（Program Counter Register）：每个线程有一个独立的程序计数器，用于记录当前正在执行的字节码指令的地址。
• 本地方法栈（Native Method Stack）：与虚拟机栈类似，只不过它为本地方法服务。

2. 堆内存的分代模型

JVM的堆内存根据对象的生命周期划分为两个主要区域：

• 新生代（Young Generation）：包括Eden区和两个Survivor区。大多数对象在这里被分配，Eden区是对象创建的地方，两个Survivor区用于对象的存活与回收。
• 老年代（Old Generation）：存储生命周期较长的对象。新生代经过多次垃圾回收仍然存活的对象会被移到老年代。

3. 垃圾回收机制（Garbage Collection, GC）

垃圾回收是JVM自动管理内存的机制，负责回收不再使用的对象。JVM主要使用以下几种垃圾回收算法：

• 标记-清除算法（Mark-Sweep）：标记所有需要回收的对象，并在标记完成后进行清除。
• 复制算法（Copying）：将存活对象从一个区域复制到另一个区域，非存活对象的空间则被清除。
• 标记-整理算法（Mark-Compact）：标记存活对象并移动它们，使所有存活对象都集中在一起，之后清理掉空闲的空间。

4. 示例代码：手动触发垃圾回收

在Java中，可以通过调用System.gc()方法手动建议JVM进行垃圾回收，虽然JVM不保证立刻执行垃圾回收，但这是一个常用的触发方式。

示例代码：

public class GarbageCollectionExample { // 定义一个类GarbageCollectionExample
    public static void main(String[] args) {
        MyClass myClass1 = new MyClass(); // 创建第一个对象
        MyClass myClass2 = new MyClass(); // 创建第二个对象
        myClass1 = null; // 将myClass1置为null，使其对象可被GC回收
        myClass2 = null; // 将myClass2置为null，使其对象可被GC回收
        System.gc(); // 手动调用垃圾回收器
    }
}

class MyClass {
    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        System.out.println("对象被回收");
    }
}

中文注释：

public class GarbageCollectionExample { // 定义一个类GarbageCollectionExample
    public static void main(String[] args) {
        MyClass myClass1 = new MyClass(); // 创建第一个对象
        MyClass myClass2 = new MyClass(); // 创建第二个对象
        myClass1 = null; // 将myClass1置为null，使其对象可被GC回收
        myClass2 = null; // 将myClass2置为null，使其对象可被GC回收
        System.gc(); // 手动调用垃圾回收器
    }
}

class MyClass {
    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        System.out.println("对象被回收"); // 在对象被回收时输出提示信息
    }
}

5. 垃圾回收器（Garbage Collector）

JVM提供了多种垃圾回收器，可以根据应用程序的需求选择合适的回收器：

• Serial GC：适用于单线程环境的垃圾回收器，暂停时间较长。
• Parallel GC：使用多线程进行垃圾回收，适用于多处理器环境。
• CMS（Concurrent Mark-Sweep）GC：并发标记-清除垃圾回收器，减少停顿时间。
• G1（Garbage-First）GC：面向大内存的垃圾回收器，适合低停顿时间需求的应用程序。

6. 源码解析

在JVM的源码中，垃圾回收器的实现和内存管理是非常复杂的部分。以下是java.lang.Runtime类中的gc()方法的简化版，它调用了垃圾回收器：

源码解析：

public class Runtime {
    private static final Runtime currentRuntime = new Runtime();

    // 返回当前Runtime实例
    public static Runtime getRuntime() {
        return currentRuntime;
    }

    // 手动触发GC
    public void gc() {
        // 触发垃圾回收
        System.gc();
    }
}

中文注释：

public class Runtime {
    private static final Runtime currentRuntime = new Runtime(); // 单例模式，保存Runtime实例

    public static Runtime getRuntime() {
        return currentRuntime; // 返回当前Runtime实例
    }

    public void gc() {
        System.gc(); // 手动触发垃圾回收
    }
}

面试题

1、默认使用哪个垃圾回收器

在Java中，JVM默认使用的垃圾回收器取决于所使用的JVM版本和运行时环境。以下是不同版本的JVM默认使用的垃圾回收器：

1. JDK 8及之前版本：
   • 客户端模式（Client VM）: 默认使用 Serial GC。这是一个单线程的垃圾回收器，适用于小型应用程序，停顿时间较长。
   • 服务器模式（Server VM）: 默认使用 Parallel GC。这是一个多线程垃圾回收器，适用于多处理器环境，能够缩短垃圾回收的暂停时间。
2. JDK 9及之后版本：
   • 默认使用 G1 GC（Garbage-First Garbage Collector）。G1 GC旨在替代之前的Parallel GC，特别适合处理大堆内存，能够在可控的停顿时间内高效地进行垃圾回收。

默认GC的选择依据

在JDK 8之前，客户端模式和服务器模式的选择通常是根据硬件配置自动决定的。例如，JVM在检测到多个CPU核心和大量内存时，会自动选择服务器模式。服务器模式默认使用Parallel GC，因为它在多核环境下具有更好的并行性能。
从JDK 9开始，JVM的默认垃圾回收器变更为G1 GC，因为它在大多数应用场景下都能提供更好的性能和平衡的停顿时间。
如何查看和更改垃圾回收器
你可以通过以下命令行参数来查看或指定JVM使用的垃圾回收器：

• 查看当前使用的垃圾回收器：

java -XX:+PrintCommandLineFlags -version

• 指定使用G1 GC：

java -XX:+UseG1GC MyApplication

• 指定使用Parallel GC：

java -XX:+UseParallelGC MyApplication

• 指定使用Serial GC：

java -XX:+UseSerialGC MyApplication

• 指定使用CMS GC（在JDK 14及之后被废弃）：

java -XX:+UseConcMarkSweepGC MyApplication

2、垃圾回收器分别使用哪些垃圾回收机制

在JVM中，垃圾回收器（GC）使用了不同的回收机制来管理内存，以下是主要垃圾回收器及其使用的回收机制：

1. Serial GC

- 回收机制: 标记-清除（Mark-Sweep） 和 标记-整理（Mark-Compact）

• 工作原理:
  • 新生代：使用 复制算法（Copying）。它将存活的对象从Eden区和一个Survivor区复制到另一个 Survivor区，非存活对象则被清理。
  • 老年代：使用 标记-整理算法。首先标记出存活对象，然后将存活对象压缩到堆的一端，清理掉剩余空间。这是一个单线程的垃圾回收器，每次回收都会暂停应用程序的所有线程（即Stop-the-World，STW）。

2. Parallel GC（也称为Throughput GC）

• 回收机制: 标记-清除（Mark-Sweep） 和 标记-整理（Mark-Compact）
• 工作原理:
  • 新生代：使用 复制算法（Copying）。和Serial GC类似，但使用多线程并行回收。
  • 老年代：使用 标记-整理算法。它与Serial GC类似，但使用多线程进行并行回收，适用于多处理器环境，能够缩短垃圾回收的停顿时间。

3. CMS GC（Concurrent Mark-Sweep GC，已在JDK 14中被弃用）

• 回收机制: 标记-清除（Mark-Sweep）
• 工作原理:
  • 新生代：使用 复制算法（Copying），与Parallel GC类似。
  • 老年代：使用 并发标记-清除算法。CMS GC的目标是最小化停顿时间（STW）。它在标记阶段与应用程序线程并发工作，尽量减少对应用程序的影响。它的回收过程分为以下几个阶段：
    1. 初始标记（Initial Mark）：标记GC Roots可达的对象，这个过程需要暂停所有应用线程（STW）。
    2. 并发标记（Concurrent Mark）：在应用程序运行时标记所有GC Roots可达的对象。
    3. 重新标记（Remark）：修正并发标记阶段应用程序导致的标记变化，需要暂停所有应用线程（STW）。
    4. 并发清除（Concurrent Sweep）：并发清理未被标记的对象。
• 缺点: CMS GC在回收老年代时不进行对象整理，可能会导致内存碎片化。

4. G1 GC（Garbage-First GC）

• 回收机制: 标记-整理（Mark-Compact） 和 部分区域复制（Region-Based Copying）
• 工作原理:
  • G1 GC将堆内存划分为多个大小相等的区域（Region），这些区域可以作为新生代或老年代使用。G1的主要目标是提供可预测的停顿时间。
  • 新生代：G1使用 复制算法，将存活对象从Eden区和Survivor区复制到新的Survivor区或老年代。
  • 老年代：G1使用 标记-整理算法。老年代的GC是通过多次全局标记-整理操作完成的。G1首先标记存活的对象，然后整理（即压缩）老年代内存，将存活对象移动到一端，释放出连续的内存空间。
  • G1会优先回收垃圾最多的区域，因此得名“Garbage-First”。

5. ZGC（Z Garbage Collector）

• 回收机制: 标记-整理（Mark-Compact） 和 Region-Based
• 工作原理:
  • ZGC是一个低延迟垃圾回收器，目标是将GC停顿时间保持在几毫秒以内，即使在非常大的堆内存下（比如几百GB甚至TB）。
  • ZGC通过并发标记、并发重定位和并发清除来完成回收，并使用染色指针（Colored Pointers）和读屏障（Load Barriers）来精确跟踪对象的引用状态。
  • 它会在并发标记过程中标记存活的对象，在并发重定位阶段对存活对象进行压缩和整理。

6. Shenandoah GC

• 回收机制: 标记-整理（Mark-Compact） 和 Region-Based
• 工作原理:
  • Shenandoah GC与ZGC类似，也是低延迟GC，目的是将GC停顿时间保持在可控范围内。
  • 它的并发过程包括并发标记、并发整理、并发回收和并发引用更新等多个阶段，减少应用程序的停顿时间。