Java内存分配和GC

Java 内存分配和回收的机制概括的说，就是：分代分配，分代回收。

对象将根据存活的时间被分为：年轻代（Young Generation）、年老代（Old Generation）、永久代（Permanent Generation，也就是方法区）。

java中每新new一个对象所占用的内存空间就是年轻代的空间，当java垃圾回收机制对堆区进行资源回收后，那些年轻代中没有被回收的资源将被转移到中生代，中生代的被转移到老生代。

内存由 Perm 和 Heap 组成. 其中
Heap = {Old + NEW = { Eden , from, to } }
JVM内存模型中Heap区分两大块，一块是 NEW Generation（年轻代）, 另一块是Old Generation（年老代）.
在New Generation中，有一个叫Eden的空间，主要是用来存放新生的对象，还有两个Survivor Spaces（from,to）, 它们用来存放每次垃圾回收后存活下来的对象。
在Old Generation中，主要存放应用程序中生命周期长的内存对象。
在Permanent Generation中，主要用来放JVM自己的反射对象，比如类对象和方法对象等。

在NewGeneration块中，垃圾回收一般用Copying的算法，速度快。每次GC的时候，存活下来的对象首先由Eden拷贝到某个SurvivorSpace, 当Survivor Space空间满了后, 剩下的live对象就被直接拷贝到OldGeneration中去。因此，每次GC后，Eden内存块会被清空。在OldGeneration块中，垃圾回收一般用mark-compact的算法，速度慢些，但减少内存要求.
垃圾回收分多级，0级为全部(Full)的垃圾回收，会回收OLD段中的垃圾；1级或以上为部分垃圾回收，只会回收NEW中的垃圾，内存溢出通常发生于OLD段或Perm段垃圾回收后，仍然无内存空间容纳新的Java对象的情况。

当一个URL被访问时，内存申请过程如下：
A. JVM会试图为相关Java对象在Eden中初始化一块内存区域
B. 当Eden空间足够时，内存申请结束。否则到下一步
C. JVM试图释放在Eden中所有不活跃的对象（这属于1或更高级的垃圾回收）, 释放后若Eden空间仍然不足以放入新对象，则试图将部分Eden中活跃对象放入Survivor区
D. Survivor区被用来作为Eden及OLD的中间交换区域，当OLD区空间足够时，Survivor区的对象会被移到Old区，否则会被保留在Survivor区
E. 当OLD区空间不够时，JVM会在OLD区进行完全的垃圾收集（0级）
F. 完全垃圾收集后，若Survivor及OLD区仍然无法存放从Eden复制过来的部分对象，导致JVM无法在Eden区为新对象创建内存区域，则出现”out of memory错误”

JVM内存的几种参数:
配置堆区的参数：（-Xms 、-Xmx、-XX:newSize、-XX:MaxnewSize、-Xmn）
1、-Xms ：表示java虚拟机堆区内存初始内存分配的大小，通常为操作系统可用内存的1/64大小即可，但仍需按照实际情况进行分配。
2、-Xmx：表示java虚拟机堆区内存可被分配的最大上限，通常为操作系统可用内存的1/4大小。但是开发过程中，通常会将 -Xms 与 -Xmx两个参数的配置相同的值，其目的是为了能够在java垃圾回收机制清理完堆区后不需要重新分隔计算堆区的大小而浪费资源。
-XX:newSize、-XX:MaxnewSize、-Xmn 是对堆区的进一步细化分：新生代、中生代、老生代。java中每新new一个对象所占用的内存空间就是新生代的空间，当java垃圾回收机制对堆区进行资源回收后，那些新生代中没有被回收的资源将被转移到中生代，中生代的被转移到老生代。而接下来要讲述的三个参数是用来控制新生代内存大小的。
1、-XX:newSize：表示新生代初始内存的大小，应该小于 -Xms的值；
2、-XX:MaxnewSize：表示新生代可被分配的内存的最大上限；当然这个值应该小于 -Xmx的值；
3、-Xmn：至于这个参数则是对 -XX:newSize、-XX:MaxnewSize两个参数的同时配置，也就是说如果通过-Xmn来配置新生代的内存大小，那么-XX:newSize = -XX:MaxnewSize = -Xmn，虽然会很方便，但需要注意的是这个参数是在JDK1.4版本以后才使用的。
配置非堆区的参数：（-XX:PermSize、-XX:MaxPermSize）
1、-XX:PermSize：表示非堆区初始内存分配大小，其缩写为permanent size（持久化内存）
2、-XX:MaxPermSize：表示对非堆区分配的内存的最大上限。
这里面非常要注意的一点是：在配置之前一定要慎重的考虑一下自身软件所需要的非堆区内存大小，因为此处内存是不会被java垃圾回收机制进行处理的地方。并且更加要注意的是最大堆内存与最大非堆内存的和绝对不能够超出操作系统的可用内存。

JVM调优建议:
ms/mx：定义YOUNG+OLD段的总尺寸，ms为JVM启动时YOUNG+OLD的内存大小；mx为最大可占用的YOUNG+OLD内存大小。在用户生产环境上一般将这两个值设为相同，以减少运行期间系统在内存申请上所花的开销。
NewSize/MaxNewSize：定义YOUNG段的尺寸，NewSize为JVM启动时YOUNG的内存大小；MaxNewSize为最大可占用的YOUNG内存大小。在用户生产环境上一般将这两个值设为相同，以减少运行期间系统在内存申请上所花的开销。
PermSize/MaxPermSize：定义Perm段的尺寸，PermSize为JVM启动时Perm的内存大小；MaxPermSize为最大可占用的Perm内存大小。在用户生产环境上一般将这两个值设为相同，以减少运行期间系统在内存申请上所花的开销。
SurvivorRatio：设置Survivor空间和Eden空间的比例

内存溢出的可能性:

1. OLD段溢出
这种内存溢出是最常见的情况之一，产生的原因可能是：
1) 设置的内存参数过小(ms/mx, NewSize/MaxNewSize)
2) 程序问题

单个程序持续进行消耗内存的处理，如循环几千次的字符串处理，对字符串处理应建议使用StringBuffer。此时不会报内存溢出错，却会使系统持续垃圾收集，无法处理其它请求，相关问题程序可通过Thread Dump获取（见系统问题诊断一章）单个程序所申请内存过大，有的程序会申请几十乃至几百兆内存，此时JVM也会因无法申请到资源而出现内存溢出，对此首先要找到相关功能，然后交予程序员修改，要找到相关程序，必须在Apache日志中寻找。
当Java对象使用完毕后，其所引用的对象却没有销毁，使得JVM认为他还是活跃的对象而不进行回收，这样累计占用了大量内存而无法释放。由于目前市面上还没有对系统影响小的内存分析工具，故此时只能和程序员一起定位。
2. Perm段溢出
通常由于Perm段装载了大量的Servlet类而导致溢出，目前的解决办法：
1) 将PermSize扩大，一般256M能够满足要求
2) 若别无选择，则只能将servlet的路径加到CLASSPATH中，但一般不建议这么处理

3. C Heap溢出
系统对C Heap没有限制，故C Heap发生问题时，Java进程所占内存会持续增长，直到占用所有可用系统内存
其他：
JVM有2个GC线程。第一个线程负责回收Heap的Young区。第二个线程在Heap不足时，遍历Heap，将Young 区升级为Older区。Older区的大小等于-Xmx减去-Xmn，不能将-Xms的值设的过大，因为第二个线程被迫运行会降低JVM的性能。
为什么一些程序频繁发生GC？有如下原因：
l 程序内调用了System.gc()或Runtime.gc()。
l 一些中间件软件调用自己的GC方法，此时需要设置参数禁止这些GC。
l Java的Heap太小，一般默认的Heap值都很小。
l 频繁实例化对象，Release对象。此时尽量保存并重用对象，例如使用StringBuffer()和String()。
如果你发现每次GC后，Heap的剩余空间会是总空间的50%，这表示你的Heap处于健康状态。许多Server端的Java程序每次GC后最好能有65%的剩余空间。
经验之谈：
1．Server端JVM最好将-Xms和-Xmx设为相同值。为了优化GC，最好让-Xmn值约等于-Xmx的1/3[2]。
2．一个GUI程序最好是每10到20秒间运行一次GC，每次在半秒之内完成[2]。
注意：
1．增加Heap的大小虽然会降低GC的频率，但也增加了每次GC的时间。并且GC运行时，所有的用户线程将暂停，也就是GC期间，Java应用程序不做任何工作。
2．Heap大小并不决定进程的内存使用量。进程的内存使用量要大于-Xmx定义的值，因为Java为其他任务分配内存，例如每个线程的Stack等。
2．Stack的设定
每个线程都有他自己的Stack。

-Xss	每个线程的Stack大小

Stack的大小限制着线程的数量。如果Stack过大就好导致内存溢漏。-Xss参数决定Stack大小，例如-Xss1024K。如果Stack太小，也会导致Stack溢漏。
3．硬件环境
硬件环境也影响GC的效率，例如机器的种类，内存，swap空间，和CPU的数量。
如果你的程序需要频繁创建很多transient对象，会导致JVM频繁GC。这种情况你可以增加机器的内存，来减少Swap空间的使用[2]。
4．4种GC
第一种为单线程GC，也是默认的GC。，该GC适用于单CPU机器。
第二种为Throughput GC，是多线程的GC，适用于多CPU，使用大量线程的程序。第二种GC与第一种GC相似，不同在于GC在收集Young区是多线程的，但在Old区和第一种一样，仍然采用单线程。-XX:+UseParallelGC参数启动该GC。
第三种为Concurrent Low Pause GC，类似于第一种，适用于多CPU，并要求缩短因GC造成程序停滞的时间。这种GC可以在Old区的回收同时，运行应用程序。-XX:+UseConcMarkSweepGC参数启动该GC。
第四种为Incremental Low Pause GC，适用于要求缩短因GC造成程序停滞的时间。这种GC可以在Young区回收的同时，回收一部分Old区对象。-Xincgc参数启动该GC

年轻代:

所有新生成的对象首先都是放在年轻代的。年轻代的目标就是尽可能快速的收集掉那些生命周期短的对象。年轻代分三个区。一个Eden区，两个Survivor区(一般而言)。大部分对象在Eden区中生成。当Eden区满时，还存活的对象将被复制到Survivor区（两个中的一个），当这个Survivor区满时，此区的存活对象将被复制到另外一个Survivor区，当这个Survivor区也满了的时候，从第一个Survivor区复制过来的并且此时还存活的对象，将被复制“年老区(Tenured)”。需要注意，Survivor的两个区是对称的，没先后关系，所以同一个区中可能同时存在从Eden复制过来对象，和从前一个Survivor复制过来的对象，而复制到年老区的只有从第一个Survivor去过来的对象。而且，Survivor区总有一个是空的。同时，根据程序需要，Survivor区是可以配置为多个的（多于两个），这样可以增加对象在年轻代中的存在时间，减少被放到年老代的可能。

年老代:

在年轻代中经历了N次垃圾回收后仍然存活的对象，就会被放到年老代中。因此，可以认为年老代中存放的都是一些生命周期较长的对象。

持久代:

用于存放静态文件，如今Java类、方法等。持久代对垃圾回收没有显著影响，但是有些应用可能动态生成或者调用一些class，例如Hibernate等，在这种时候需要设置一个比较大的持久代空间来存放这些运行过程中新增的类。持久代大小通过-XX:MaxPermSize=<N>进行设置。

什么情况下触发垃圾回收

由于对象进行了分代处理，因此垃圾回收区域、时间也不一样。GC有两种类型：Scavenge GC和Full GC。

Scavenge GC

一般情况下，当新对象生成，并且在Eden申请空间失败时，就会触发Scavenge GC，对Eden区域进行GC，清除非存活对象，并且把尚且存活的对象移动到Survivor区。然后整理Survivor的两个区。这种方式的GC是对年轻代的Eden区进行，不会影响到年老代。因为大部分对象都是从Eden区开始的，同时Eden区不会分配的很大，所以Eden区的GC会频繁进行。因而，一般在这里需要使用速度快、效率高的算法，使Eden去能尽快空闲出来。

Full GC

对整个堆进行整理，包括Young、Tenured和Perm。Full GC因为需要对整个对进行回收，所以比Scavenge GC要慢，因此应该尽可能减少Full GC的次数。在对JVM调优的过程中，很大一部分工作就是对于FullGC的调节。有如下原因可能导致Full GC：