Java GC、新生代、老年代

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1、堆內存

Java 中的堆是 JVM 所管理的最大的一塊內存空間，主要用於存放各種類的實例對象。
在 Java 中，堆被劃分成兩個不同的區域：新生代 ( Young )、老年代 ( Old )。新生代 ( Young ) 又被劃分爲三個區域：Eden、From Survivor、To Survivor。
這樣劃分的目的是爲了使 JVM 能夠更好的管理堆內存中的對象，包括內存的分配以及回收。
堆的內存模型大致爲：

從圖中可以看出： 堆大小 = 新生代 + 老年代。其中，堆的大小可以通過參數 –Xms、-Xmx 來指定。
（本人使用的是 JDK1.6，以下涉及的 JVM 默認值均以該版本爲準。）
默認的，新生代 ( Young ) 與老年代 ( Old ) 的比例的值爲 1:2 ( 該值可以通過參數 –XX:NewRatio 來指定 )，即：新生代 ( Young ) = 1/3 的堆空間大小。老年代 ( Old ) = 2/3 的堆空間大小。其中，新生代 ( Young ) 被細分爲 Eden 和 兩個 Survivor 區域，這兩個 Survivor 區域分別被命名爲 from 和 to，以示區分。
默認的，Edem : from : to = 8 : 1 : 1 ( 可以通過參數 –XX:SurvivorRatio 來設定 )，即： Eden = 8/10 的新生代空間大小，from = to = 1/10 的新生代空間大小。
JVM 每次只會使用 Eden 和其中的一塊 Survivor 區域來爲對象服務，所以無論什麼時候，總是有一塊 Survivor 區域是空閒着的。因此，新生代實際可用的內存空間爲 9/10 ( 即90% )的新生代空間。

2、GC堆

Java 中的堆也是 GC 收集垃圾的主要區域。GC 分爲兩種：Minor GC、Full GC ( 或稱爲 Major GC )。
Minor GC 是發生在新生代中的垃圾收集動作，所採用的是複製算法。
新生代幾乎是所有 Java 對象出生的地方，即 Java 對象申請的內存以及存放都是在這個地方。Java 中的大部分對象通常不需長久存活，具有朝生夕滅的性質。當一個對象被判定爲 “死亡” 的時候，GC 就有責任來回收掉這部分對象的內存空間。新生代是 GC 收集垃圾的頻繁區域。當對象在 Eden ( 包括一個 Survivor 區域，這裏假設是 from 區域 ) 出生後，在經過一次 Minor GC 後，如果對象還存活，並且能夠被另外一塊 Survivor 區域所容納( 上面已經假設爲 from 區域，這裏應爲 to 區域，即 to 區域有足夠的內存空間來存儲 Eden 和 from 區域中存活的對象 )，則使用複製算法將這些仍然還存活的對象複製到另外一塊 Survivor 區域 ( 即 to 區域 ) 中，然後清理所使用過的 Eden 以及 Survivor 區域 ( 即 from 區域 )，並且將這些對象的年齡設置爲1，以後對象在 Survivor 區每熬過一次 Minor GC，就將對象的年齡 + 1，當對象的年齡達到某個值時 ( 默認是 15 歲，可以通過參數 -XX:MaxTenuringThreshold 來設定 )，這些對象就會成爲老年代。但這也不是一定的，對於一些較大的對象 ( 即需要分配一塊較大的連續內存空間 ) 則是直接進入到老年代。Full GC 是發生在老年代的垃圾收集動作，所採用的是標記-清除算法。現實的生活中，老年代的人通常會比新生代的人 “早死”。堆內存中的老年代(Old)不同於個，老年代裏面的對象幾乎個個都是在 Survivor 區域中熬過來的，它們是不會那麼容易就 “死掉” 了的。因此，Full GC 發生的次數不會有 Minor GC 那麼頻繁，並且做一次 Full GC 要比進行一次 Minor GC 的時間更長。另外，標記-清除算法收集垃圾的時候會產生許多的內存碎片 ( 即不連續的內存空間 )，此後需要爲較大的對象分配內存空間時，若無法找到足夠的連續的內存空間，就會提前觸發一次 GC 的收集動作。

3、GC日誌

設置 JVM 參數爲 -XX:+PrintGCDetails，使得控制檯能夠顯示 GC 相關的日誌信息，執行上面代碼，下面是其中一次執行的結果。

Full GC 信息與 Minor GC 的信息是相似的，這裏就不一個一個的畫出來了。從 Full GC 信息可知，新生代可用的內存大小約爲 18M，則新生代實際分配得到的內存空間約爲 20M(爲什麼是 20M? 請繼續看下面…)。老年代分得的內存大小約爲 42M，堆的可用內存的大小約爲 60M。可以計算出： 18432K ( 新生代可用空間 ) + 42112K ( 老年代空間 ) = 60544K ( 堆的可用空間 )新生代約佔堆大小的 1/3，老年代約佔堆大小的 2/3。也可以看出，GC 對新生代的回收比較樂觀，而對老年代以及方法區的回收並不明顯或者說不及新生代。並且在這裏 Full GC 耗時是 Minor GC 的 22.89 倍。

4、JVM參數選項

jvm 可配置的參數選項可以參考 Oracle 官方網站給出的相關信息：http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/tech/vmoptions-jsp-140102.html
下面只列舉其中的幾個常用和容易掌握的配置選項

配置參數	功能
-Xms	初始堆大小。如：-Xms256m
-Xmx	最大堆大小。如：-Xmx512m
-Xmn	新生代大小。通常爲 Xmx 的 1/3 或 1/4。新生代 = Eden + 2 個 Survivor 空間。實際可用空間爲 = Eden + 1 個 Survivor，即 90%
-Xss	JDK1.5+ 每個線程堆棧大小爲 1M，一般來說如果棧不是很深的話， 1M 是絕對夠用了的。
-XX:NewRatio	新生代與老年代的比例，如 –XX:NewRatio=2，則新生代佔整個堆空間的1/3，老年代佔2/3
-XX:SurvivorRatio	新生代中 Eden 與 Survivor 的比值。默認值爲 8。即 Eden 佔新生代空間的 8/10，另外兩個 Survivor 各佔 1/10
-XX:PermSize	永久代(方法區)的初始大小
-XX:MaxPermSize	永久代(方法區)的最大值
-XX:+PrintGCDetails	打印 GC 信息
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError	讓虛擬機在發生內存溢出時 Dump 出當前的內存堆轉儲快照，以便分析用

注意：PermSize永久代的概念在jdk1.8中已經不存在了，取而代之的是metaspace元空間，當認爲執行永久代的初始大小以及最大值是jvm會給出如此下提示：
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option PermSize=30m; support was removed in 8.0
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option MaxPermSize=30m; support was removed in 8.0

5、實例分析

/** 
  -Xms60m 
  -Xmx60m 
  -Xmn20m 
  -XX:NewRatio=2 ( 若 Xms = Xmx, 並且設定了 Xmn, 那麼該項配置就不需要配置了 ) 
  -XX:SurvivorRatio=8 
  -XX:PermSize=30m 
  -XX:MaxPermSize=30m 
  -XX:+PrintGCDetails
  */
public class TestVm{
    public void doTest(){
         Integer M = new Integer(1024 * 1024 * 1);  //單位, 兆(M)          
            byte[] bytes = new byte[1 * M]; //申請 1M 大小的內存空間                 
            bytes = null;  //斷開引用鏈
            System.gc();   //通知 GC 收集垃圾                           
            System.out.println();       //                           
            bytes = new byte[1 * M];  //重新申請 1M 大小的內存空間                      
            bytes = new byte[1 * M];  //再次申請 1M 大小的內存空間                     
            System.gc();
            System.out.println();                                                         
        }
    public static void main(String[] args) {
         new TestVm().doTest();
     }
}

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按上面代碼中註釋的信息設定 jvm 相關的參數項，並執行程序，下面是一次執行完成控制檯打印的結果：

[ GC [ PSYoungGen:  1351K -> 288K (18432K) ]  1351K -> 288K (59392K), 0.0012389 secs ]  [ Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs ] 
[ Full GC (System)  [ PSYoungGen:  288K -> 0K (18432K) ]  [ PSOldGen:  0K -> 160K (40960K) ]  288K -> 160K (59392K)  [ PSPermGen:  2942K -> 2942K (30720K) ],  0.0057649 secs ] [ Times:  user=0.00  sys=0.00,  real=0.01 secs ] 

[ GC [ PSYoungGen:  2703K -> 1056K (18432K) ]  2863K -> 1216K(59392K),  0.0008206 secs ]  [ Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs ] 
[ Full GC (System)  [ PSYoungGen:  1056K -> 0K (18432K) ]  [ PSOldGen:  160K -> 1184K (40960K) ]  1216K -> 1184K (59392K)  [ PSPermGen:  2951K -> 2951K (30720K) ], 0.0052445 secs ]  [ Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.01 secs ] 


Heap 
PSYoungGen      
      total 18432K, used 327K [0x00000000fec00000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)  
      eden  space 16384K, 2% used [0x00000000fec00000,0x00000000fec51f58,0x00000000ffc00000)   
      from space 2048K, 0% used [0x00000000ffe00000,0x00000000ffe00000,0x0000000100000000)  
      to   space 2048K, 0% used [0x00000000ffc00000,0x00000000ffc00000,0x00000000ffe00000) 

PSOldGen        
    total 40960K, used 1184K [0x00000000fc400000, 0x00000000fec00000, 0x00000000fec00000)  

 PSPermGen       
     total 30720K, used 2959K [0x00000000fa600000, 0x00000000fc400000, 0x00000000fc400000)  
     object space 30720K, 9% used [0x00000000fa600000,0x00000000fa8e3ce0,0x00000000fc400000)

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從打印結果可以看出，堆中新生代的內存空間爲 18432K ( 約 18M )，eden 的內存空間爲 16384K ( 約 16M)，from / to survivor 的內存空間爲 2048K ( 約 2M)。

這裏所配置的 Xmn 爲 20M，也就是指定了新生代的內存空間爲 20M，可是從打印的堆信息來看，新生代怎麼就只有 18M 呢? 另外的 2M 哪裏去了? 別急，是這樣的。新生代 = eden + from + to = 16 + 2 + 2 = 20M，可見新生代的內存空間確實是按 Xmn 參數分配得到的。而且這裏指定了 SurvivorRatio = 8，因此，eden = 8/10 的新生代空間 = 8/10 * 20 = 16M。from = to = 1/10 的新生代空間 = 1/10 * 20 = 2M。堆信息中新生代的 total 18432K 是這樣來的： eden + 1 個 survivor = 16384K + 2048K = 18432K，即約爲 18M。因爲 jvm 每次只是用新生代中的 eden 和 一個 survivor，因此新生代實際的可用內存空間大小爲所指定的 90%。因此可以知道，這裏新生代的內存空間指的是新生代可用的總的內存空間，而不是指整個新生代的空間大小。另外，可以看出老年代的內存空間爲 40960K ( 約 40M )，堆大小 = 新生代 + 老年代。因此在這裏，老年代 = 堆大小 - 新生代 = 60 - 20 = 40M。
最後，這裏還指定了 PermSize = 30m，PermGen 即永久代 ( 方法區 )，它還有一個名字，叫非堆，主要用來存儲由 jvm 加載的類文件信息、常量、靜態變量等。

回到 doTest() 方法中，可以看到代碼在第 14、18、19 這三行中分別申請了一塊 1M 大小的內存空間，並在 16 和 20 這兩行中分別顯式的調用了 System.gc()。從控制檯打印的信息來看，每次調 System.gc()，是先進行 Minor GC，然後再進行 Full GC。
第 16 行觸發的 Minor GC 收集分析：
從信息 PSYoungGen : 1351K -> 288K，可以知道，在第 14 行爲 bytes 分配的內存空間已經被回收完成。引起 GC 回收這 1M 內存空間的因素是第 15 行的 bytes = null; bytes 爲 null 表明之前申請的那 1M 大小的內存空間現在已經沒有任何引用變量在使用它了，並且在內存中它處於一種不可到達狀態 ( 即沒有任何引用鏈與 GC Roots 相連 )。那麼，當 Minor GC 發生的時候，GC 就會來回收掉這部分的內存空間。
第 16行觸發的 Full GC 收集分析：
在 Minor GC 的時候，信息顯示 PSYoungGen : 1351K -> 288K，再看看 Full GC 中顯示的 PSYoungGen : 288K -> 0K，可以看出，Full GC 後，新生代的內存使用變成0K 了，那麼這 288K 到底哪去了 ? 難道都被 GC 當成垃圾回收掉了 ? 當然不是了。我還特意在 main 方法中 new 了一個 Test 類的實例，這裏的 Test 類的實例屬於小對象，它應該被分配到新生代內存當中，現在還在調用這個實例的 doTest 方法呢，GC 不可能在這個時候來回收它的。

接着往下看 Full GC 的信息，會發現一個很有趣的現象，PSOldGen: 0K -> 160K，可以看到，Full GC 後，老年代的內存使用從 0K 變成了 160K，想必你已經猜到大概是怎麼回事了。當 Full GC 進行的時候，默認的方式是儘量清空新生代 ( YoungGen )，因此在調 System.gc() 時，新生代 ( YoungGen ) 中存活的對象會提前進入老年代。

第 20行觸發的 Minor GC 收集分析：
從信息 PSYoungGen : 2703K -> 1056K，可以知道，在第 18行創建的，大小爲 1M 的數組被 GC 回收了。在第 19 行創建的，大小也爲 1M 的數組由於 bytes 引用變量還在引用它，因此，它暫時未被 GC 回收。

第 20 行觸發的 Full GC 收集分析：
在 Minor GC 的時候，信息顯示 PSYoungGen : 2703K -> 1056K，Full GC 中顯示的 PSYoungGen : 1056K -> 0K，以及 PSOldGen: 160K -> 1184K，可以知道，新生代 ( YoungGen ) 中存活的對象又提前進入老年代了。