JVM1.8分代的理论基础和简单测试

news2025/2/24 14:34:29

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文章目录

  • 一、前言
  • 二、JVM 分代
    • 2.1 JVM 中对象生命周期分布
    • 2.2 JVM 分代图
    • 2.3 特殊情况
      • G1收集器内存分代
      • Parallel Collector 分代
  • 三、GC测试
    • 3.1 查看 JVM 模型配置
    • 3.2 代码测试
    • 3.3 GC 日志解释
  • 四、总结

一、前言

写过 java 的小伙伴肯定都知道 JVM 分为年轻代、永久代，但为什么这么分，有没有什么理论基础呢？

二、JVM 分代

2.1 JVM 中对象生命周期分布

经过对大量实际应用程序的观察和分析，得出如下图：

图片.png

x 轴表示对象在生命周期内，分配的字节数。 y 轴上表示相应生命周期内的对象占用的总字节数。左边的尖峰代表分配后不久可以回收的对象。蓝色区域表示对象生命周期的典型分布。所以可以得出如下结论：

  1. 大多数对象的生命周期很短暂：在许多应用程序中，绝大多数对象的生命周期都非常短暂，即它们很快就会变成垃圾，被回收掉
  2. 少数对象的生命周期较长：虽然大部分对象很快就会被回收，但也有一小部分对象的生命周期比较长，它们可能会存活很长时间

为了优化上述的两点，在内存管理方面，JVM按代进行管理，利用内存池保存不同年龄的对象。每当某一代充满时，会触发垃圾收集操作。

大多数对象被分配到年轻代，其中绝大多数对象最终在这一代消亡。当年轻代达到容量时，会触发垃圾收集，只针对年轻代进行垃圾回收；而其他代中的垃圾暂不处理。在每次次要收集时，一部分幸存对象会被移至永久代。永久代最终也会填满，需要对整个堆进行回收，持续的时间通常年轻代长，因为牵扯的对象数量更多。

2.2 JVM 分代图

JVM默认的分代图，需要注意的是排除：Parallel Collector and G1回收算法

图片.png

  1. 在初始化时，虚拟地保留最大地址空间，但除非需要，否则不会分配给物理内存。为对象内存保留的完整地址空间可以分为年轻代和终身代。
  2. 年轻代由 eden 和两个 survivor 空间组成。大多数对象最初是在 eden 中分配的。一个survivor 空间在任何时候都是空的，并且作为 eden 中任何存活对象的目的地；另一个 survivor 空间是下一次复制收集期间的目的地。对象以这种方式在幸存者空间之间复制，直到它们足够老而可以被保留（复制到终身代）。

2.3 特殊情况

G1收集器内存分代

  1. 不再明显的分代概念：与传统的分代收集器不同，G1收集器没有严格的年轻代和老年代的划分。它将整个堆分为多个大小相等的区域（Region），并根据垃圾收集的活动动态地划分为年轻代和老年代区域。
  2. 独特的回收方法：在G1中，每个区域都可以用作年轻代或老年代，因此没有严格意义上的固定分代。它会选择多个区域进行垃圾收集，并使用一种叫做“垃圾优先”（Garbage First）算法来进行整体的堆回收。

Parallel Collector 分代

在Parallel Collector中，与其他经典的垃圾收集器（如Serial收集器和CMS收集器）不同，它在新生代的设计中没有显式地使用Eden区和Survivor区的划分。而是将新生代划分为一部分专门用于存放对象的区域，这使得Parallel Collector更注重整个新生代的高效垃圾回收

三、GC测试

3.1 查看 JVM 模型配置

java -XX:+PrintCommandLineFlags -version

我这台机器的默认配置如下：

-XX:InitialHeapSize=264819584 -XX:MaxHeapSize=4237113344 -XX:+PrintCommandLineFlags -XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops -XX:-UseLargePagesIndividualAllocation -XX:+UseParallelGC
openjdk version "1.8.0_332"
OpenJDK Runtime Environment (Temurin)(build 1.8.0_332-b09)
OpenJDK 64-Bit Server VM (Temurin)(build 25.332-b09, mixed mode)

解释如下：

-   `-XX:InitialHeapSize=264819584`：设置 JVM 初始堆内存大小为大约 **252MB**。这是 JVM 启动时分配的最小堆内存量。
-   `-XX:MaxHeapSize=4237113344`：设置 JVM 最大堆内存大小为大约 **4040MB**（即约 **3.94GB**）。这是 JVM 堆内存能够增长到的最大限度。在运行过程中，如果堆内存需求增加，JVM 堆大小可以动态增长直至此上限。
-   `-XX:+PrintCommandLineFlags`：指示 JVM 在启动时打印出所有的命令行标志（参数），这有助于调试和记录当前虚拟机的配置状态。
-   `-XX:+UseCompressedClassPointers`：启用类指针的压缩。在 64 位 JVM 上，这可以减少类元数据占用的内存空间，从而降低内存消耗，并可能提升性能。
-   `-XX:+UseCompressedOops`：启用“普通对象指针（Ordinary Object Pointers）”的压缩。此设置减少了64位系统上对象引用的大小，从而减少了内存使用并且没有显著影响到性能。这是提升大内存Java应用性能的一项常用技术。
-   `-XX:-UseLargePagesIndividualAllocation`：禁止为每个大页面（Large Page）进行单独的分配。大页面技术通常用于提高大型应用的性能，通过减少页面表条目的数量来减少CPU缓存的压力，但需要操作系统的支持。这个参数指定了不使用单独分配大页的方式，这可能是因为配置了通用的大页支持或者没有需求使用该特性。
-   `-XX:+UseParallelGC`：启用 Parallel 垃圾收集器。Parallel 收集器是一个并行的新生代垃圾收集器，使用多线程来提高垃圾收集效率，主要目标是增加应用程序的吞吐量。

3.2 代码测试

public static void main(String[] args) {
    while (true){
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        ArrayList<Object> objects = new ArrayList<>(1024);
        for (int i = 0; i < 1024 * 10; i++) {
            objects.add(new Object[]{});
        }

    }
}

不断的创建 List，为了更快的观察到 GC 日志，我们设置

-Xmx80m -verbose:gc -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:./gc.log

解释如下：

-   `-Xmx20m`：设置了 Java 堆的最大内存为 **20MB**。这个参数限制了 Java 程序运行时最大可用的堆内存大小，超过这个大小后 JVM 将会抛出 OutOfMemoryError 错误。
-   `-verbose:gc`：启用了垃圾回收输出信息。当垃圾回收器执行垃圾回收时，会输出简要的垃圾收集情况，包括开始和结束的时间点。
-   `-XX:+PrintGCDetails`：详细输出垃圾收集的信息。这个参数会打印出关于每次垃圾收集的详细信息，包括各个区域的使用情况、垃圾回收时间、被收集对象等信息。
-   `-XX:+PrintGCDateStamps`：打印垃圾回收发生的日期时间戳。此参数会在详细的垃圾收集日志中包含日期时间信息，有助于更好地跟踪和分析垃圾回收的情况。
-   `-Xloggc:./gc.log`：将垃圾收集日志输出到指定的文件中，这里指定为当前目录下的 `gc.log` 文件。通过这个参数，JVM 会将详细的垃圾收集日志记录到指定文件中，可以用于后续分析和调试。

运行上述代码，可以看到 GC 日志如下：

OpenJDK 64-Bit Server VM (25.332-b09) for windows-amd64 JRE (1.8.0_332-b09), built on Apr 23 2022 01:25:28 by "jenkins" with MS VC++ 12.0 (VS2013)
Memory: 4k page, physical 16551224k(667012k free), swap 52371688k(14504324k free)
CommandLine flags: -XX:InitialHeapSize=20971520 -XX:MaxHeapSize=20971520 -XX:+PrintGC -XX:+PrintGCDateStamps -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops -XX:-UseLargePagesIndividualAllocation -XX:+UseParallelGC 
2024-05-21T20:05:55.659+0800: 8.192: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 5632K->510K(6144K)] 5632K->1384K(19968K), 0.0024955 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
2024-05-21T20:06:15.807+0800: 28.340: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 6142K->488K(6144K)] 7016K->1369K(19968K), 0.0008134 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
2024-05-21T20:06:34.936+0800: 47.468: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 6120K->502K(6144K)] 7001K->1440K(19968K), 0.0009532 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
2024-05-21T20:06:55.174+0800: 67.706: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 6134K->504K(6144K)] 7072K->1449K(19968K), 0.0008710 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
2024-05-21T20:07:14.356+0800: 86.888: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 6136K->492K(6144K)] 7081K->1486K(19968K), 0.0007995 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
2024-05-21T20:07:33.536+0800: 106.068: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 6078K->486K(4096K)] 7072K->1496K(17920K), 0.0010000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
2024-05-21T20:07:46.621+0800: 119.153: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 4070K->160K(5120K)] 5080K->1501K(18944K), 0.0004745 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

3.3 GC 日志解释

我们一块一块的解释：

OpenJDK 64-Bit Server VM (25.332-b09) for windows-amd64 JRE (1.8.0_332-b09), built on Apr 23 2022 01:25:28 by "jenkins" with MS VC++ 12.0 (VS2013)

这段 GC 日志提供了关于 JVM 的版本信息和构建详情，下面是对这部分日志的解释：

-   **OpenJDK 64-Bit Server VM (25.332-b09) for windows-amd64 JRE (1.8.0_332-b09)** ：这部分说明了 JVM 的具体信息。其中：

    -   OpenJDK 64-Bit Server VM 表示这是一个64位的服务器端虚拟机。
    -   25.332-b09 是 JVM 的版本号，提供了关于编译版号的详细信息。
    -   windows-amd64 表示 JVM 运行在 Windows 系统的 64 位架构上。
    -   JRE (1.8.0_332-b09) 提供了 Java 运行时环境版本信息。

-   **Built on Apr 23 2022 01:25:28 by "jenkins" with MS VC++ 12.0 (VS2013)** ：这部分提供了 JVM 构建的时间和工具信息。

    -   Built on Apr 23 2022 01:25:28 表示 JVM 是在 2022年4月23日凌晨01:25:28 构建的。
    -   by "jenkins" 表示使用 Jenkins 自动化工具构建。
    -   with MS VC++ 12.0 (VS2013) 表明使用 Microsoft Visual C++ 12.0 (VS2013) 编译器来构建 JVM。

Memory: 4k page, physical 16551224k(667012k free), swap 52371688k(14504324k free)

这段 GC 日志中提供了关于系统内存情况的信息，下面是对这段日志的解释：

-   **Memory: 4k page**：指定系统内存页的大小为 4KB。这表示系统在管理内存时使用 4KB 作为一页的基本单位。这是操作系统中很常见的内存页大小。
-   **physical 16551224k(667012k free)** ：表示系统的物理内存情况。在括号内的部分是具体数值，16551224k 表示系统的物理内存总共为 16,551,224 KB（约 16.5 GB），其中 667,012 KB（约 667 MB）是可用的空闲内存。系统内存中可能包括用于程序运行和缓存的内存等。
-   **swap 52371688k(14504324k free)** ：给出了系统的交换空间（swap space）情况。在括号内的部分表示具体数值，52371688k 表示总共的交换空间为 52,371,688 KB（约 52.4 GB），其中有 14,504,324 KB（约 14.5 GB）是可用的空闲交换空间。交换空间是硬盘上用来扩展物理内存的一部分，当物理内存不足时，操作系统会将部分数据从内存中交换到硬盘的交换分区（swap partition）中。

2024-05-21T20:07:46.621+0800: 119.153: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 4070K->160K(5120K)] 5080K->1501K(18944K), 0.0004745 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

这段 GC 日志提供了一次垃圾回收事件的详细信息，下面是对这条日志的解释：

-   **时间戳信息**：2024年5月21日，UTC+0800时区，具体时间为20:07:46.621。这个时间戳提供了垃圾回收事件发生的时间。

-   **持续时间信息**：从上次垃圾回收到本次垃圾回收经过了约119.153秒。

-   **GC事件**：这次垃圾回收事件是由“Allocation Failure”引起的，即由于在年轻代进行对象分配时失败触发了垃圾回收。

-   **PSYoungGen信息**：涉及的内存区域为 PSYoungGen（Parallel Scavenge算法的年轻代）。具体变化如下：

    -   在垃圾回收前，年轻代中的内存从4070KB减少到160KB。
    -   年轻代的总容量为5120KB，表示年轻代的总大小。

-   **整个堆内存信息**：整个堆的内存变化如下：

    -   在垃圾回收前，整个堆内存从5080KB减少到1501KB。
    -   整个堆的总容量为18944KB，表示整个堆的总大小。

-   **耗时信息**：垃圾回收过程耗时为0.0004745秒。

    -   user=0.00 表示用户态时间为0秒。
    -   sys=0.00 表示系统态时间为0秒。
    -   real=0.00 表示实际时间为0秒。

综合解释，这条 GC 日志记录了一次由“Allocation Failure”引发的垃圾回收事件，描述了年轻代和整个堆内存的变化情况，以及垃圾回收过程的耗时信息

四、总结

JVM的分代机制是为了优化内存管理，将内存分为年轻代和老年代，利用内存池保存不同年龄的对象。

大多数对象被分配到年轻代，其中绝大多数对象最终在这一代消亡。当年轻代达到容量时，会触发垃圾收集，只针对年轻代进行垃圾回收；而其他代中的垃圾暂不处理。在每次次要收集时，一部分幸存对象会被移至永久代。永久代最终也会填满，需要对整个堆进行回收，持续的时间通常年轻代长，因为牵扯的对象数量更多。

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