細(xì)說(shuō)Java內(nèi)存管理：棧、堆、引用類型
譯文【51CTO.com快譯】朋友，您在使用Java進(jìn)行編程時(shí)，是否了解過(guò)其調(diào)用內(nèi)存的工作原理?總的說(shuō)來(lái)，作為一個(gè)不錯(cuò)的靜默式垃圾回收器，Java具有自動(dòng)管理內(nèi)存的功能，能夠在后臺(tái)工作，清理未使用的對(duì)象，并釋放內(nèi)存。話雖如此，如果您的程序設(shè)計(jì)不到位，Java的垃圾收集器和內(nèi)存管理特性，恐怕也無(wú)法自動(dòng)生效。
可見(jiàn)，了解內(nèi)存在Java中的實(shí)際原理是至關(guān)重要的。它不但能夠輔助您編寫出高性能的應(yīng)用程序，還能夠盡量避免程序因OutOfMemoryError而崩潰;或者是在程序運(yùn)行狀況不佳時(shí)，協(xié)助您快速發(fā)現(xiàn)內(nèi)存泄漏的原因。
下面，讓我們首先來(lái)看一下Java語(yǔ)言中的內(nèi)存組織結(jié)構(gòu)：
如上圖所示，內(nèi)存通常被分為兩大部分：棧和堆。請(qǐng)記住，該圖片中的內(nèi)存類型大小與實(shí)際內(nèi)存大小并不成比例。也就是說(shuō)：與棧相比，堆是更大塊的內(nèi)存。
棧(Stack)
棧內(nèi)存既負(fù)責(zé)保存那些針對(duì)堆對(duì)象(heap objects)的引用，又負(fù)責(zé)保存各種值的類型，即：存儲(chǔ)的是數(shù)值本身，而不是對(duì)堆中某個(gè)對(duì)象的引用。在Java中，我們稱為原始類型(primitive types)。
另外，棧上的變量具有一定的可見(jiàn)性，我們稱為范圍(scope)。通常，只有活躍范圍(active scope)中的對(duì)象，才可以被使用。例如：假設(shè)我們沒(méi)有任何全局作用域的變量(或字段)，而只有局部的變量，那么如果編譯器要執(zhí)行某個(gè)方法的主體，就只能從棧中訪問(wèn)該方法主體內(nèi)的對(duì)象。而且由于超出了范圍，因此它無(wú)法訪問(wèn)其他局部變量。一旦該方法被執(zhí)行完成并給出了返回，它就會(huì)彈出棧的頂部，并更改活躍范圍。
也許您已經(jīng)注意到，由于Java的棧內(nèi)存是按照線程分配的，因此在上圖中會(huì)有多個(gè)棧存儲(chǔ)器。而且，程序在每次創(chuàng)建和啟動(dòng)一個(gè)線程時(shí)，都擁有自己的棧內(nèi)存，無(wú)需也無(wú)法訪問(wèn)另一個(gè)線程的棧內(nèi)存。
堆(Heap)
這部分的內(nèi)存存儲(chǔ)著實(shí)際對(duì)象，它們會(huì)被棧的變量所引用。讓我們來(lái)看如下代碼行：
- StringBuilder builder = new StringBuilder();
關(guān)鍵字new負(fù)責(zé)確保堆能夠獲取足夠的可用空間。它在存儲(chǔ)器中創(chuàng)建StringBuilder類型的對(duì)象，并通過(guò)“builder”的引用，其壓入棧中。
由于每個(gè)正在運(yùn)行的JVM進(jìn)程只有一個(gè)堆內(nèi)存，因此無(wú)論系統(tǒng)當(dāng)前正在運(yùn)行多少個(gè)線程，它們都會(huì)共享內(nèi)存的指定部分。實(shí)際上，堆的真實(shí)結(jié)構(gòu)與上圖不盡相同，它會(huì)根據(jù)垃圾收集的過(guò)程，被分成幾個(gè)部分。
而是否需要預(yù)定義棧和堆的最大容量，將完全取決于正在運(yùn)行程序的計(jì)算機(jī)。在后面的討論中，我們將研究JVM的相關(guān)配置，以便為正在運(yùn)行的應(yīng)用程序，顯式地指定大小。
引用類型
如果仔細(xì)觀察上述圖片，您可能會(huì)注意到，來(lái)自于堆的、表示對(duì)象引用的箭頭，實(shí)際上具有不同的類型。這是因?yàn)樵贘ava編程語(yǔ)言中，我們具有不同類型的引用，即：強(qiáng)引用、弱引用、軟引用、以及虛引用(phantom references)。引用類型之間的區(qū)別在于：堆上的對(duì)象在不同條件下，可以引用的垃圾回收有所不同。下面，我們來(lái)逐個(gè)進(jìn)行討論。
1.強(qiáng)引用
這是最流行，也是開(kāi)發(fā)人員最常用的引用類型。在上述StringBuilder示例中，我們實(shí)際上對(duì)堆中的對(duì)象采取了強(qiáng)引用。堆上的對(duì)象不會(huì)被垃圾回收，而是有一個(gè)指向了它的強(qiáng)引用，或者通過(guò)一串強(qiáng)引用來(lái)獲取該對(duì)象。
2.弱引用
弱引用可通過(guò)如下方式被創(chuàng)建：
- WeakReference reference = new WeakReference<>(new StringBuilder());
弱引用的一種最佳使用場(chǎng)景是緩存方案。設(shè)想，您檢索了一些數(shù)據(jù)，并且希望將其存儲(chǔ)在內(nèi)存中，以便下次能夠直接作出響應(yīng)。當(dāng)然，您并不確定何時(shí)或者是否有對(duì)該數(shù)據(jù)的請(qǐng)求。那么，您就可以對(duì)其采用弱引用，以免堆上的對(duì)象被垃圾收集器回收掉，以致在檢索該對(duì)象時(shí)，返回null值。可見(jiàn)，WeakHashMap
- /**
- * The entries in this hash table extend WeakReference, using its main ref
- * field as the key.
- */
- private static class Entry<K,V> extends WeakReference<Object> implements Map.Entry<K,V> {
- V value;
一旦WeakHashMap中某個(gè)鍵被垃圾回收，那么整個(gè)條目就會(huì)從映射中被刪除。
3.軟引用
此類引用可用于那些對(duì)于內(nèi)存非常敏感的方案。例如，只有在應(yīng)用程序的內(nèi)存不足時(shí)，該引用才會(huì)被垃圾回收。也就是說(shuō)，不到迫不得已，垃圾收集器就不會(huì)處置軟引用對(duì)應(yīng)的對(duì)象。而且，Java的相關(guān)文檔已提到了：在虛擬機(jī)拋出OutOfMemoryError之前，所有軟引用的對(duì)象早已被清除了。
與弱引用類似，我們可以按照如下方式來(lái)創(chuàng)建軟引用：
- SoftReference reference = new SoftReference<>(new StringBuilder());
4.虛引用
虛引用可被用于事后清理操作，畢竟我們可以確定對(duì)象已不復(fù)存在。此類引用的.get()方法將始終返回null。虛引用必須和引用隊(duì)列(ReferenceQueue)一起使用。也就是說(shuō)，當(dāng)垃圾回收器準(zhǔn)備回收某個(gè)對(duì)象時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)它尚存有虛引用，就會(huì)在回收該對(duì)象的內(nèi)存之前，把虛引用加入到與之相關(guān)聯(lián)的引用隊(duì)列中。
如何引用字符串
Java中的字符串(String)類型有些特殊，它是不可變的。這就意味著程序每次使用字符串進(jìn)行操作時(shí)，實(shí)際上都會(huì)在堆上創(chuàng)建另一個(gè)對(duì)象。而對(duì)于字符串而言，由于Java管理著內(nèi)存中的字符串池，因此Java會(huì)盡可能地存儲(chǔ)和重用字符串。例如：
- String localPrefix = "297"; //1
- String prefix = "297"; //2
- if (prefix == localPrefix)
- {
- System.out.println("Strings are equal" );
- }
- else
- {
- System.out.println("Strings are different");
- }
在上述代碼被運(yùn)行后，將會(huì)打印出：
字符串相等(Strings are equal)
可見(jiàn)，事實(shí)證明，在比較了String類型的兩個(gè)引用之后，這些引用實(shí)際上指向的是堆上的相同對(duì)象。但是，這對(duì)于那些經(jīng)過(guò)計(jì)算的字符串來(lái)說(shuō)是無(wú)效的。例如：我們將上述代碼的//1行更改為：
- String localPrefix = new Integer(297).toString(); //1
那么輸出則變?yōu)椋?/p>
字符串不同(Strings are different)
可見(jiàn)，在這種情況下，堆上有兩個(gè)不同的對(duì)象。如果我們認(rèn)為經(jīng)過(guò)計(jì)算的字符串會(huì)經(jīng)常被使用的話，則可以在經(jīng)過(guò)計(jì)算的字符串末尾，添加.intern()方法來(lái)，強(qiáng)制JVM將其添加到字符串池中。如下代碼再次修改了//1行：
- String localPrefix = new Integer(297).toString().intern(); //1
那么輸出則變?yōu)椋?/p>
字符串相等(Strings are equal)
垃圾收集程序
如前所述，根據(jù)棧中的變量被保存到堆中的對(duì)象所引用類型，在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，該對(duì)象將會(huì)成為垃圾收集器的“合格對(duì)象”。
如上圖所示，所有紅色的對(duì)象都有資格被垃圾收集器收集。您可能會(huì)注意到，堆上有一個(gè)對(duì)象具有其他對(duì)象的強(qiáng)引用(例如，既可以是對(duì)其進(jìn)行引用的列表，又可以是具有兩種引用類型字段的對(duì)象)。由于它丟失了在棧中的引用，程序無(wú)法再對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)，因此它也成為了垃圾。
在向下更深入討論之前，讓我們先明確如下三點(diǎn)：
- 此過(guò)程由Java自動(dòng)觸發(fā)，并由Java決定何時(shí)、以及是否啟動(dòng)此過(guò)程。
- 當(dāng)垃圾收集器運(yùn)行時(shí)，應(yīng)用程序中的所有線程都將暫停，因此該過(guò)程代價(jià)不菲。
- 該過(guò)程并非僅為垃圾收集和釋放內(nèi)存那么簡(jiǎn)單。
鑒于這是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，并且可能會(huì)影響程序的性能，因此我們可以使用所謂的“標(biāo)記和清掃(Mark and Sweep)”過(guò)程，即：讓Java分析棧中的變量，并“標(biāo)記”所有需要保持活躍狀態(tài)的對(duì)象，然后清除所有未在使用的對(duì)象。顯然，被標(biāo)記為垃圾的對(duì)象越多，需要保持活躍的對(duì)象就越少，該過(guò)程就會(huì)越快。為了使之更加高效，我們可以使用Java JDK附帶的工具—JvisualVM，來(lái)可視化內(nèi)存的使用情況和其他實(shí)用的信息。當(dāng)然，您需要安裝一個(gè)名為Visual GC的插件，以查看到內(nèi)存的實(shí)際結(jié)構(gòu)。
如上圖所示，我們創(chuàng)建了一個(gè)對(duì)象，并將其分配到Eden(1)空間上。由于Eden空間并不大，因此很快就會(huì)被填滿。此時(shí)，垃圾收集器運(yùn)行在Eden空間上，并將各個(gè)對(duì)象標(biāo)記為活躍。
一旦某個(gè)對(duì)象在垃圾回收的過(guò)程中留存下來(lái)，它就將會(huì)被移到所謂的留存空間--S0(2)中。當(dāng)垃圾收集器第二次在Eden空間上運(yùn)行時(shí)，它會(huì)將所有留存的對(duì)象移到S1(3)空間中。同樣，當(dāng)前在S0(2)上的所有對(duì)象，也都被移到S1(3)空間中。如果一個(gè)對(duì)象經(jīng)過(guò)n輪垃圾回收，仍被留存下來(lái)的話，那么它被視為需要持久存在，并被移入Old(4)空間。
至此，在垃圾回收器graph(6)中，您會(huì)看到各種對(duì)象在每一次運(yùn)行后，被轉(zhuǎn)移到留存空間，Eden空間同時(shí)也會(huì)重新產(chǎn)生。而Metaspace(5)可被用于讓元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)JVM加載的各種類。
上述圖片實(shí)際上是一個(gè)Java 8的應(yīng)用程序。而在Java 8之前的版本中，內(nèi)存結(jié)構(gòu)會(huì)略有不同。metaspace實(shí)際上被稱為PermGen空間。例如，在Java 6中，該空間還存儲(chǔ)了字符串池的內(nèi)存。因此，如果Java 6應(yīng)用程序中的字符串過(guò)多，就可能會(huì)崩潰。
垃圾收集器(GC)的類型
實(shí)際上，JVM具有如下三種類型的垃圾收集器，可供開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行選擇。默認(rèn)情況下，Java會(huì)根據(jù)實(shí)際環(huán)境中的底層硬件，來(lái)進(jìn)行選用。
1. 串行GC – 單線程收集器。它通常適用于數(shù)據(jù)量較少的小型應(yīng)用程序。您可以通過(guò)指定命令行選項(xiàng)：-XX:+UseSerialGC，來(lái)啟用。
2. 并行GC – 吞吐量收集器。它是使用多個(gè)線程來(lái)執(zhí)行垃圾收集的過(guò)程。您可以通過(guò)顯式指定選項(xiàng)：-XX:+UseParallelGC，來(lái)啟用。
3. 并發(fā)GC – 如前文所述，垃圾收集過(guò)程在運(yùn)行時(shí)，會(huì)暫停所有的線程。而并發(fā)GC的許多操作(并非所有)與應(yīng)用程序的業(yè)務(wù)，存在著并發(fā)關(guān)系。在具有多個(gè)處理內(nèi)核的計(jì)算機(jī)上，應(yīng)用程序線程可以在收集的并發(fā)期間使用處理器，因此并發(fā)垃圾收集器線程不會(huì)暫停應(yīng)用程序。其效果當(dāng)然會(huì)使得停頓的時(shí)間更短，但是應(yīng)用程序可用的處理器資源也會(huì)相應(yīng)地變得更少，而且可能出現(xiàn)降速，特別是當(dāng)應(yīng)用程序正在最大限度地使用所有處理內(nèi)核時(shí)。通常有兩種并發(fā)GC可被選用：
3.1垃圾優(yōu)先 – 它在滿足垃圾收集暫停時(shí)間目標(biāo)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了高吞吐量。您可以通過(guò)：-XX:+UseG1GC，來(lái)啟用它。
3.2并發(fā)標(biāo)記清掃 – 此收集器適用于那些追求更短的垃圾收集暫停時(shí)間，且能夠與垃圾收集共享處理器資源的應(yīng)用程序。您可以通過(guò)：-XX:+UseConcMarkSweepGC，來(lái)啟用它。不過(guò)從JDK 9開(kāi)始，該GC類型不再被推薦使用。
技巧和竅門
- 為了最大程度地減少內(nèi)存的占用，請(qǐng)盡可能地限制變量的范圍。記住，在每次彈出棧頂部的作用域時(shí)，該作用域中的引用都會(huì)被丟失，并會(huì)導(dǎo)致對(duì)象被判定為適合垃圾收集。
- 將過(guò)時(shí)的引用標(biāo)記為null，以便讓此類引用對(duì)象適合垃圾收集。
- 由于finalizer會(huì)減慢垃圾收集的過(guò)程，因此最好使用虛引用。
- 不要在可以使用弱引用或軟引用之處使用強(qiáng)引用。最常見(jiàn)的內(nèi)存陷阱是在緩存場(chǎng)景中，即使數(shù)據(jù)不在被需要，卻仍要保留在內(nèi)存中。
- JVisualVM還具有在特定時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行堆轉(zhuǎn)儲(chǔ)的功能，因此您可以針對(duì)每個(gè)類分析其占用的內(nèi)存量。
- 根據(jù)您的應(yīng)用程序需求來(lái)配置JVM。在運(yùn)行應(yīng)用程序時(shí)，可明確指定JVM堆的尺寸，分配合理的初始和最大內(nèi)存量。您可以借鑒如下指定原則：
- 初始堆的尺寸 -Xms512m – 將初始堆的尺寸設(shè)置為512 MB。
- 最大堆的尺寸 -Xmx1024m – 將最大堆的尺寸設(shè)置為1024 MB。
- 線程棧大小 -Xss1m – 將線程棧的大小設(shè)置為1 MB。
- 新生大小 -Xmn256m – 將新生的大小設(shè)置為256 MB。
- 如果Java應(yīng)用程序出現(xiàn)OutOfMemoryError，而且崩潰了，那么您可以使用–XX:HeapDumpOnOutOfMemory參數(shù)，來(lái)運(yùn)行該過(guò)程。它將會(huì)在下一次發(fā)生此類錯(cuò)誤時(shí)創(chuàng)建一個(gè)堆dump文件，以方便您收集到內(nèi)存泄漏的相關(guān)信息。
- 請(qǐng)使用-verbose:gc選項(xiàng)，來(lái)獲取垃圾收集到的輸出。
小結(jié)
綜上所述，了解內(nèi)存的組織方式，您不但可以從內(nèi)存資源的合理使用角度，編寫出良好且經(jīng)過(guò)優(yōu)化的代碼，還可以通過(guò)優(yōu)化配置，來(lái)調(diào)整正在運(yùn)行的JVM。此外，通過(guò)使用恰當(dāng)?shù)墓ぞ撸€可以輕松地修復(fù)各類程序中的內(nèi)存泄漏錯(cuò)誤。
原文標(biāo)題：Java Memory Management，作者：Constantin Marian
【51CTO譯稿，合作站點(diǎn)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明原文譯者和出處為51CTO.com】
