Java虚拟机内存分配与回收策略简介

本文介绍Java虚拟机内存分配与回收策略。以下内容总结来自于《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第二版）》

Java虚拟机自动内存管理机制包含两个方面：给对象分配内存以及回收分配给对象的内存

内存回收与垃圾收集器在很多时候都是影响系统性能、并发能力的主要因素之一，虚拟机之所以提供多种不同的收集器以及提供大量的调节参数，是因为只有根据实际应用需求、实现方式选择最优的收集方式才能获取最高的性能

Minor GC 与 Full GC

• 新生代GC（Minor GC）：指发生在新生代的垃圾收集动作，因为Java对象大多都具备朝生夕灭的特性，因此 Minor GC非常频繁，一般回收速度也比较快
• 老年代GC（Major GC / Full GC）：指发生在老年代的GC，出现了Major GC，经常会伴随至少一次的Minor GC（但非绝对的，在Parallel Scavenge收集器的收集策略里就有直接进行Major GC的策略选择过程）。Major GC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上

内存分配策略

• 对象优先在 Eden 分配

  大多数情况下，对象在新生代 Eden 上分配，当 Eden 空间不够时，发起 Minor GC

• 大对象直接进入老年代

  大对象是指需要连续内存空间的对象，最典型的大对象是那种很长的字符串以及数组。

• 大对象对虚拟机的内存分配来说就是一个坏消息（比遇到一个大对象更加坏的消息就是遇到一群“朝生夕灭”的“短命大对象”，写程序的时候应当避免）
• 经常出现大对象容易导致内存还有不少空间时就提前触发垃圾收集以获取足够的连续空间来“安置”它们
• 经常出现大对象会提前触发垃圾收集以获取足够的连续空间分配给大对象
• 虚拟机提供了一个-XX:PretenureSizeThreshold参数，大于此值的对象直接在老年代分配，避免在Eden区及两个Survivor区之间发生大量的内存复制

• 长期存活的对象进入老年代

  为对象定义年龄计数器。对象在Eden出生并经过第一次Minor GC后仍然存活，并且能被Survivor容纳的话，将被移动到Survivor空间中，并且对象年龄设为1。对象在Survivor区中每“熬过”一次Minor GC，年龄就增加1岁，当它的年龄增加到一定程度（默认为15岁），就将会被晋升到老年代中

对象晋升老年代的年龄阈值，可以通过参数-XX:MaxTenuringThreshold设置

• 动态对象年龄判定

  虚拟机并不是永远要求对象的年龄必须达到 MaxTenuringThreshold 才能晋升老年代，如果在 Survivor 中相同年龄所有对象大小的总和大于 Survivor 空间的一半，则年龄大于或等于该年龄的对象可以直接进入老年代，无需等到 MaxTenuringThreshold 中要求的年龄

• 空间分配担保

  在发生 Minor GC 之前，虚拟机先检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象总空间，如果条件成立的话，那么 Minor GC 可以确认是安全的

如果不成立的话虚拟机会查看 HandlePromotionFailure 的值是否允许担保失败。如果允许那么就会继续检查老年代最大可用的连续空间是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小，如果大于，将尝试着进行一次 Minor GC；如果小于，或者 HandlePromotionFailure 的值不允许冒险，那么就要进行一次 Full GC。

Full GC 的触发条件

对于 Minor GC，其触发条件非常简单，当 Eden 空间满时，就将触发一次 Minor GC。而 Full GC 则相对复杂，有以下条件：

• 调用 System.gc()

  只是建议虚拟机执行 Full GC，但是虚拟机不一定真正去执行。不建议使用这种方式，而是让虚拟机管理内存

• 老年代空间不足

  老年代空间不足的常见场景为前文所讲的大对象直接进入老年代、长期存活的对象进入老年代等

为了避免以上原因引起的 Full GC，应当尽量不要创建过大的对象以及数组。除此之外，可以通过 -Xmn 虚拟机参数调大新生代的大小，让对象尽量在新生代被回收掉，不进入老年代。还可以通过 -XX:MaxTenuringThreshold 调大对象进入老年代的年龄，让对象在新生代多存活一段时间。

• 空间分配担保失败

  使用复制算法的 Minor GC 需要老年代的内存空间作担保，如果担保失败会执行一次 Full GC

• JDK 1.7 及以前的永久代空间不足

  在 JDK 1.7 及以前，HotSpot 虚拟机中的方法区是用永久代实现的，永久代中存放的为一些 Class 的信息、常量、静态变量等数据。当系统中要加载的类、反射的类和调用的方法较多时，永久代可能会被占满，在未配置为采用 CMS GC 的情况下也会执行 Full GC。如果经过 Full GC 仍然回收不了，那么虚拟机会抛出 java.lang.OutOfMemoryError

• Concurrent Mode Failure

  执行 CMS GC 的过程中同时有对象要放入老年代，而此时老年代空间不足（可能是 GC 过程中浮动垃圾过多导致暂时性的空间不足），便会报 Concurrent Mode Failure 错误，并触发 Full GC