最简单例子图解JVM内存分配和回收

一、简介

JVM采用分代垃圾回收。在JVM的内存空间中把堆空间分为年老代和年轻代。将大量（据说是90%以上）创建了没多久就会消亡的对象存储在年轻代，而年老代中存放生命周期长久的实例对象。年轻代中又被分为Eden区(圣经中的伊甸园)、和两个Survivor区。新的对象分配是首先放在Eden区，Survivor区作为Eden区和Old区的缓冲，在Survivor区的对象经历若干次收集仍然存活的，就会被转移到年老区。

简单讲，就是生命期短的对象放在一起，将少数生命期长的对象放在一起，分别采用不同的回收策略。生命期短的对象回收频率比较高，生命期长的对象采用比较低回收频率，生命期短的对象被尝试回收几次发现还存活，则被移到另外一个地方去存起来。就像现在夏天了，勤劳的douma把doudou和douba常穿的衣服放在顺手的地方，把冬天的衣服打包放在柜子另一个地方。虽然把doudou的小衣服类比成虚拟机里的对象有点不合适，大致意思应该就是这样。

本文中通过最简单的一个例子来demo下这个过程。包括对象的分配和回收。设定上包括对堆中年轻代（年轻代中eden区和survivor区）、年老代大小的设定，以及设置阈值控制年轻代到年老代的晋升。

二、示例代码

下面是最简单的代码，通过代码的每一步的执行来剖析其中的规则。

 1 package com.idouba.jvm.demo;
 2
 3 /**
 4 * @author idouba
 5 * Use shortest code demo jvm allocation, gc, and someting in gc.
 6 *
 7 * In details
 8 * 1) sizing of young generation (eden space，survivor space),old generation.
 9 * 2) allocation in eden space, gc in young generation,
10 * 3) working with survivor space and with old generation.
11 *
12 */
13 public class SimpleJVMArg {
14
15     /**
16      * @param args
17      */
18     public static void main(String[] args)
19     {
20         demo();
21     }
22
23     /**
24      * VM arg：-verbose:gc -Xms200M -Xmx200M -Xmn100M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8 -XX:MaxTenuringThreshold=1 -XX:+PrintTenuringDistribution
25      *
26      */
27     @SuppressWarnings("unused")
28     public static void demo() {
29
30         final int tenMB = 10* 1024 * 1024;
31
32         byte[] alloc1, alloc2, alloc3;
33
34         alloc1 = new byte[tenMB / 5];
35         alloc2 = new byte[5 * tenMB];
36         alloc3 = new byte[4 * tenMB];
37         alloc3 = null;
38         alloc3 = new byte[6 * tenMB];
39     }
40 }

三、执行输出

通过jvm 参数设定几个区域的大小，结合代码执行可以观察到对象在堆上分配和回收的过程。执行参数如下：

-verbose:gc -Xms200M -Xmx200M -Xmn100M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+PrintTenuringDistribution

通过设这-Xms200M -Xmx200M 设置Java堆大小为200M，不可扩展，-Xmn100M设置其中100M分配给新生代，则200-100=100M，即剩下的100M分配给老年代。-XX:SurvivorRatio=8设置了新生代中eden与survivor的空间比例是1：8。

执行上述代码结果如下：

 1 [GC [DefNew
 2 Desired survivor size 5242880 bytes, new threshold 15 (max 15)
 3 - age   1:    2237152 bytes,    2237152 total
 4 : 54886K->2184K(92160K), 0.0508477 secs] 54886K->53384K(194560K), 0.0508847 secs] [Times: user=0.03 sys=0.03, real=0.06 secs]
 5 [GC [DefNew
 6 Desired survivor size 5242880 bytes, new threshold 15 (max 15)
 7 - age   2:    2237008 bytes,    2237008 total
 8 : 43144K->2184K(92160K), 0.0028660 secs] 94344K->53384K(194560K), 0.0028957 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
 9 Heap
10 def new generation   total 92160K, used 65263K [0x1a1d0000, 0x205d0000, 0x205d0000)
11   eden space 81920K,  77% used [0x1a1d0000, 0x1df69a10, 0x1f1d0000)
12   from space 10240K,  21% used [0x1f1d0000, 0x1f3f2250, 0x1fbd0000)
13   to   space 10240K,   0% used [0x1fbd0000, 0x1fbd0000, 0x205d0000)
14 tenured generation   total 102400K, used 51200K [0x205d0000, 0x269d0000, 0x269d0000)
15    the space 102400K,  50% used [0x205d0000, 0x237d0010, 0x237d0200, 0x269d0000)
16 compacting perm gen  total 12288K, used 360K [0x269d0000, 0x275d0000, 0x2a9d0000)
17    the space 12288K,   2% used [0x269d0000, 0x26a2a3c0, 0x26a2a400, 0x275d0000)
18     ro space 8192K,  66% used [0x2a9d0000, 0x2af20f10, 0x2af21000, 0x2b1d0000)
19     rw space 12288K,  52% used [0x2b1d0000, 0x2b8206d0, 0x2b820800, 0x2bdd0000)

从中可以看到eden 大小为81920K, Survivor中from区域和to区域大小都是10240k。新生代总的92160K指的是eden和一个Survivor区域的和。

即原始的内存如图：

为了演示年轻代对象晋级到年老代的过程。需要设置一个VM参数， 这里设置MaxTenuringThreshold=1。前面不设置的时候，默认MaxTenuringThreshold取值15。当设置不同的阈值，jvm在内存处理会有不同。我们重点观察观察alloc1 这么小块区域在不同的MaxTenuringThreshold参数设置下的遭遇。

这时候JVM的参数中加上MaxTenuringThreshold=1如下：

-verbose:gc  -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8 -XX:MaxTenuringThreshold=1 -XX:+PrintTenuringDistribution

可以看到输出结果是：

 1 [GC [DefNew
 2 Desired survivor size 5242880 bytes, new threshold 1 (max 1)
 3 - age   1:    2237152 bytes,    2237152 total
 4 : 54886K->2184K(92160K), 0.0641037 secs] 54886K->53384K(194560K), 0.0641390 secs] [Times: user=0.03 sys=0.03, real=0.06 secs]
 5 [GC [DefNew
 6 Desired survivor size 5242880 bytes, new threshold 1 (max 1)
 7 : 43144K->0K(92160K), 0.0036114 secs] 94344K->53384K(194560K), 0.0036418 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs]
 8 Heap
 9 def new generation   total 92160K, used 63078K [0x1a1d0000, 0x205d0000, 0x205d0000)
10   eden space 81920K,  77% used [0x1a1d0000, 0x1df69a10, 0x1f1d0000)
11   from space 10240K,   0% used [0x1f1d0000, 0x1f1d0000, 0x1fbd0000)
12   to   space 10240K,   0% used [0x1fbd0000, 0x1fbd0000, 0x205d0000)
13 tenured generation   total 102400K, used 53384K [0x205d0000, 0x269d0000, 0x269d0000)
14    the space 102400K,  52% used [0x205d0000, 0x239f2260, 0x239f2400, 0x269d0000)
15 compacting perm gen  total 12288K, used 360K [0x269d0000, 0x275d0000, 0x2a9d0000)
16    the space 12288K,   2% used [0x269d0000, 0x26a2a3c0, 0x26a2a400, 0x275d0000)
17     ro space 8192K,  66% used [0x2a9d0000, 0x2af20f10, 0x2af21000, 0x2b1d0000)
18     rw space 12288K,  52% used [0x2b1d0000, 0x2b8206d0, 0x2b820800, 0x2bdd0000)

四、过程解析

下面观察每一步语句执行后，jvm内存的变化情况，并给出解析。

1)在执行第一个语句，alloc1分配2M空间

alloc1 = new byte[tenMB / 5];

　后，根据分代策略，在新生代的eden区分配2M的空间存储对象。

2)在执行第二语句，alloc2分配50M

alloc2 = new byte[5 * tenMB];

　前面alloc1分配2M后，因为eden的80M空间还有80-2=78M还可以容纳下allocation2要求的50M空间，因此接着在eden区域分配。

3）当执行第三句，alloc3分配40M

alloc3 = new byte[4 * tenMB];

还是尝试在eden上分配，但是eden空间只剩下28M，不能容纳alloc3要求的40M空间。于是触发在新生代上的一次gc，将Eden区的存活对象转移到Survivor区。在这个里先将2M的alloc1对象存放（其实是copy，参见java 垃圾回收策略的描述）到from区，然后copy 50M的alloc2对象，显然survivor区不能容纳下alloc2对象，该对象被直接copy到年老代。需要说明的是复制到Survivor区的对象在经历一次gc后期对象年龄会被加一。

在eden区gc后腾出空间可以存放allocation3的40M对象，则alloc3分配40M对象如图：

4）执行第四句，将alloc3置空

alloc3 = null;

这是eden上alloc3分配的的40M对象则变成可被回收状态。

5)执行第5句，对alloc重新分配60M空间

allocation3 = new byte[6 * tenMB];

还是尝试先在eden区上分配，发现超出了eden区域的容量，则再次触发新生代上的一次gc。首先eden上分配的40M对象因为没有被再使用，则直接被回收。而根据的设置不同，这次gc的行为会稍有不同。

先看MaxTenuringThreshold不设置，即取默认值15的时候。eden区上无用的40M回收后，再考察Survivor区域的对象是否满足对象晋升老年代的年龄阈值，发现from中的2M对象，年龄是1，不满足晋升条件，则不被处理，只是把Survivor区域的经历这次回收未被处理的对象age加一，即新的age为2.如图：

通过输出日志也显示：经过这次回收年轻代大小，由43114K变为2184k，总的大小由94344k变为53384k，即反映出回收了40M无用对象。

Desired survivor size 5242880 bytes, new threshold 15 (max 15)
- age   2:    2237008 bytes,    2237008 total
: 43144K->2184K(92160K), 0.0028660 secs] 94344K->53384K(194560K), 0.0028957 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

在年轻代上gc后腾出空间后，新的alloc3的60M空间被分配到eden 区域上。分配后堆如下：

以上是不设置晋升阈值MaxTenuringThreshold情况下进行的gc，以及gc后alloc3的分配。

再看看当MaxTenuringThreshold设置为1的情况。同样eden区上无用的40M回收后，再考察Survivor区域的对象是否满足对象晋升老年代的年龄阈值，发现from中的2M对象，年龄是1，满足晋升条件，则Survivor区域满足年龄的对象被拷贝到年老区。

通过日志显示年轻代的大小被清0了，表示survivor的存活对象因为满足晋升条件被移到被移到年老代了。

[GC [DefNew
Desired survivor size 5242880 bytes, new threshold 1 (max 1)
: 43144K->0K(92160K), 0.0036114 secs] 94344K->53384K(194560K), 0.0036418 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs]

同样的，gc完后会在eden上分配空间来存储alloc3对象，这种情况下堆结构如图：

比较上面两个图，发现差别就仅仅在于survivor中的2M对象是否被认为生存时间足够长科院被移到年老代中去。从上面日志高亮部分from区域的最终存储也可反映出了这个差别。

比较前面两个日志可以看到：总的大小和上面设置和不设置MaxTenuringThreshold（其实是MaxTenuringThreshold设置1还是15）没有关系，都是由94344k变为53384k，即都是回收了40M eden区域无用对象。第N次gc时存活的满足晋升条件则由survivor移到年老代，不满足的还留在survivor区域，堆的总的大小没有变。

五、最后

上面通过最简单的例子示意了下在jvm堆上对象是如果分配的，当空间不足时，是如何调整回收的。希望可以对jvm的堆上结构和gc思路有个基本的了解。当然相关参数（其实反映的是机制）远比这个复杂，有挺多细节，更多的是在实践中来体会。

附：主要参数

JVM启动设置的参数很多，可以参照中Java HotSpot VM Options说明。例子中涉及的是最最基础的参数，这里只是对涉及到的几个参数进行说明。

附配图可编辑件：jvm-allocation-and-gc

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