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結合代碼和記憶體變化圖一步步弄懂JVM的FullGC

2023-02-28 07:10:07 後端開發

1.年輕代存活的物件太多,老年代了放不下

01.示例代碼

public class DemoTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        byte[] array1 = new byte[4 * 1024 * 1024];
        array1 = null;

        byte[] array2 = new byte[2 * 1024 * 1024];
        byte[] array3 = new byte[2 * 1024 * 1024];
        byte[] array4 = new byte[2 * 1024 * 1024];
        byte[] array5 = new byte[128 * 1024];

        byte[] array6 = new byte[2 * 1024 * 1024];

    }

02.啟動JVM引數

-XX:NewSize=10485760 -XX:MaxNewSize=10485760 -XX:InitialHeapSize=20971520 -XX:MaxHeapSize=20971520 -XX:SurvivorRatio=8  -XX:MaxTenuringThreshold=15 -XX:PretenureSizeThreshold=3145728 -XX:+UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -Xloggc:gc.log

其中，引數-XX:PretenureSizeThreshold,引數要設定大物件閾值為3MB，也就是超過3MB，就直接進入老年代，

大物件大小是3MB，一旦物件大小超過3MB，不會進入新生代，直接進入老年代，

啟動命令：

java  -jar -XX:NewSize=10485760 -XX:MaxNewSize=10485760 -XX:InitialHeapSize=20971520 -XX:MaxHeapSize=20971520 -XX:SurvivorRatio=8  -XX:MaxTenuringThre
shold=15 -XX:PretenureSizeThreshold=3145728 -XX:+UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -Xloggc:gc.log jvm-demo.jar

03.GC日志

啟動之后就得到如下GC日志:

Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (25.151-b12) for windows-amd64 JRE (1.8.0_151-b12), built on Sep  5 2017 19:33:46 by "java_re" with MS VC++ 10.0 (VS2010)
Memory: 4k page, physical 16703268k(7458748k free), swap 23781156k(9784196k free)
CommandLine flags: -XX:InitialHeapSize=20971520 -XX:MaxHeapSize=20971520 -XX:MaxNewSize=10485760 -XX:MaxTenuringThreshold=15 -XX:NewSize=10485760 -XX:OldPLABSize=16 -XX:PretenureSizeThreshold=3145728 -XX:+PrintGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:-UseLargePagesIndividualAllocation -XX:+UseParNewGC 
0.174: [GC (Allocation Failure) 0.174: [ParNew (promotion failed): 7457K->8328K(9216K), 0.0046949 secs]
0.179: [CMS: 8194K->6962K(10240K), 0.0033396 secs] 11553K->6962K(19456K), [Metaspace: 2970K->2970K(1056768K)], 0.0089224 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
Heap
 par new generation   total 9216K, used 2130K [0x00000000fec00000, 0x00000000ff600000, 0x00000000ff600000)
  eden space 8192K,  26% used [0x00000000fec00000, 0x00000000fee14930, 0x00000000ff400000)
  from space 1024K,   0% used [0x00000000ff500000, 0x00000000ff500000, 0x00000000ff600000)
  to   space 1024K,   0% used [0x00000000ff400000, 0x00000000ff400000, 0x00000000ff500000)
 concurrent mark-sweep generation total 10240K, used 6962K [0x00000000ff600000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
 Metaspace       used 2976K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 330K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K

04.分析GC日志

先看如下代碼：

 byte[] array1 = new byte[4 * 1024 * 1024];
        array1 = null;

這行代碼直接分配了一個4MB的大物件，此時這個物件會直接進入老年代，接著array1不再參考這個物件，

此時記憶體分配如下：

緊接著就是如下代碼

byte[] array2 = new byte[2 * 1024 * 1024];
        byte[] array3 = new byte[2 * 1024 * 1024];
        byte[] array4 = new byte[2 * 1024 * 1024];
        byte[] array5 = new byte[128 * 1024];

連續分配了4個陣列，其中3個是2MB的陣列，1個是128KB的陣列，如下圖所示，全部會進入Eden區域中，

接著會執行如下代碼：byte[] array6 = new byte[2 * 1024 * 1024];，此時還能放得下2MB的物件嗎？

不可能了，因為Eden區已經放不下了，因此此時會直接觸發一次Young GC，

我們看下面的GC日志：

0.174: [GC (Allocation Failure) 0.174: [ParNew (promotion failed): 7457K->8328K(9216K), 0.0046949 secs]

這行日志顯示了，Eden區原來是有7000多KB的物件，但是回收之后發現一個都回收不掉，因為上述幾個陣列都被變數參考了，

所以此時，一定會直接把這些物件放入到老年代里去，但是此時老年代里已經有一個4MB的陣列了，還能放的下3個2MB的陣列和1個128KB的陣列嗎？

明顯是不行的，此時一定會超過老年代的10MB大小，

所以此時看gc日志：

0.179: [CMS: 8194K->6962K(10240K), 0.0033396 secs] 11553K->6962K(19456K), [Metaspace: 2970K->2970K(1056768K)], 0.0089224 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs]

此時執行了CMS垃圾回收器的Full GC，Full GC其實就是會對老年代進行Old GC，同時一般會跟一次Young GC關聯，還會觸發一次元資料區（永久代）的GC，

在CMS Full GC之前，就已經觸發過Young GC了，此時可以看到此時Young GC就已經有了，接著就是執行針對老年代的Old GC，也就是如下日志：

CMS: 8194K->6962K(10240K), 0.0033396 secs

這里看到老年代從8MB左右的物件占用，變成了6MB左右的物件占用，這是怎么個程序呢？

很簡單，一定是在Young GC之后，先把2個2MB的陣列放入了老年代，如下圖，

此時要繼續放1個2MB的陣列和1個128KB的陣列到老年代，一定會放不下，所以此時就會觸發CMS的Full GC，

然后此時就會回收掉其中的一個4MB的陣列，因為他已經沒人參考了，如下圖所示，

所以再看CMS的垃圾回收日志：CMS: 8194K->6962K(10240K), 0.0033396 secs，他是從回收前的8MB變成了6MB，就是上圖所示，

最后在CMS Full GC執行完畢之后，其實年輕代的物件都進入了老年代，此時最后一行代碼要在年輕代分配2MB的陣列就可以成功了，如下圖，

05.總結

這是一個觸發老年代GC的案例，就是年輕代存活的物件太多放不下老年代了，此時就會觸發CMS的Full GC，

2.老年代可用空間小于了歷次Young GC后升入老年代的物件的平均大小

01.示例代碼

public class DemoTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        byte[] array1 = new byte[1 * 1024 * 1024];
        array1 = null;
        byte[] array2 = new byte[1 * 1024 * 1024];
        array2 = null;
        byte[] array3 = new byte[1 * 1024 * 1024];
        array3 = null;
        byte[] array4 = new byte[1 * 1024 * 1024];//觸發YGC 1MB    1

        array1 = new byte[1 * 1024 * 1024];
        array1 = null;
        array2 = new byte[1 * 1024 * 1024];
        array2 = null;
        array3 = new byte[1 * 1024 * 1024];//觸發YGC   Y 1MB O 1MB  2
        array3 = null;

        byte[] array5 = new byte[1 * 1024 * 1024];// Y 2MB  O 1MB
        array1 = new byte[1 * 1024 * 1024];// Y 3MB
        array1 = null;
        array2 = new byte[1 * 1024 * 1024];// Y 1MB  O 2MB YGC   3
        
        array2 = null;
        array3 = new byte[1 * 1024 * 1024];//Y 2MB  O 2MB
        array3 = null;
        byte[] array6 = new byte[1 * 1024 * 1024];//Y 3MB  O 2MB
        array1 = new byte[1 * 1024 * 1024];//Y 1MB  O 3MB YGC  4
        
        array1 = null;
        array2 = new byte[1 * 1024 * 1024];//Y 2MB
        array2 = null;
        array3 = new byte[1 * 1024 * 1024];//Y 3MB
        array3 = null;
        byte[] array7 = new byte[1 * 1024 * 1024];//YGC  5

    }
}

02.啟動JVM引數

-XX:NewSize=5M -XX:MaxNewSize=5M -XX:InitialHeapSize=10M -XX:MaxHeapSize=10M -XX:SurvivorRatio=8  -XX:MaxTenuringThreshold=15 -XX:PretenureSizeThreshold=2M -XX:+UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -Xloggc:gc.log

其中，引數-XX:PretenureSizeThreshold,引數要設定大物件閾值為2MB，也就是超過2MB，就直接進入老年代，

大物件大小是3MB，一旦物件大小超過3MB，不會進入新生代，直接進入老年代，

啟動命令：

java  -jar -XX:NewSize=5M -XX:MaxNewSize=5M -XX:InitialHeapSize=10M -XX:MaxHeapSize=10M -XX:SurvivorRatio=8  -XX:MaxTenuringThreshold=15 -XX:PretenureSizeThreshold=2M -XX:+UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -Xloggc:gc.log jvm-demo.jar

03.GC日志

啟動之后就得到如下GC日志:

老年代

年輕代

Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (25.151-b12) for windows-amd64 JRE (1.8.0_151-b12), built on Sep  5 2017 19:33:46 by "java_re" with MS VC++ 10.0 (VS2010)
Memory: 4k page, physical 16703268k(7221016k free), swap 23781156k(8613656k free)
CommandLine flags: -XX:InitialHeapSize=10485760 -XX:MaxHeapSize=10485760 -XX:MaxNewSize=5242880 -XX:MaxTenuringThreshold=15 -XX:NewSize=5242880 -XX:OldPLABSize=16 -XX:PretenureSizeThreshold=2097152 -XX:+PrintGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:-UseLargePagesIndividualAllocation -XX:+UseParNewGC 
0.121: [GC (Allocation Failure) 0.121: [ParNew: 3155K->512K(4608K), 0.0041165 secs] 3155K->766K(9728K), 0.0042644 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
0.125: [GC (Allocation Failure) 0.125: [ParNew: 3663K->0K(4608K), 0.0016667 secs] 3917K->1732K(9728K), 0.0017448 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
0.127: [GC (Allocation Failure) 0.127: [ParNew: 3142K->0K(4608K), 0.0013221 secs] 4875K->2756K(9728K), 0.0013592 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
0.129: [GC (CMS Initial Mark) [1 CMS-initial-mark: 2756K(5120K)] 4878K(9728K), 0.0004498 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
0.129: [CMS-concurrent-mark-start]
0.130: [GC (Allocation Failure) 0.130: [ParNew: 3146K->0K(4608K), 0.0005869 secs] 5902K->2756K(9728K), 0.0006362 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
0.131: [GC (Allocation Failure) 0.131: [ParNew: 3148K->0K(4608K), 0.0007974 secs] 5904K->3780K(9728K), 0.0008262 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
Heap
 par new generation   total 4608K, used 2207K [0x00000000ff600000, 0x00000000ffb00000, 0x00000000ffb00000)
  eden space 4096K,  53% used [0x00000000ff600000, 0x00000000ff827f38, 0x00000000ffa00000)
  from space 512K,   0% used [0x00000000ffa80000, 0x00000000ffa80000, 0x00000000ffb00000)
  to   space 512K,   0% used [0x00000000ffa00000, 0x00000000ffa00000, 0x00000000ffa80000)
 concurrent mark-sweep generation total 5120K, used 3780K [0x00000000ffb00000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
 Metaspace       used 2976K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 330K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K

04.分析GC日志

(1).代碼塊1

先看如下代碼：

  byte[] array1 = new byte[1 * 1024 * 1024];
  array1 = null;
  byte[] array2 = new byte[1 * 1024 * 1024];
  array2 = null;
  byte[] array3 = new byte[1 * 1024 * 1024];
  array3 = null;
  byte[] array4 = new byte[1 * 1024 * 1024];

這段代碼直接分配了4個1MB的陣列，并且在第4個陣列的時候，會因為新生代記憶體不足觸發YGC，

此時記憶體分配如下：

對應如下GC日志：

0.121: [GC (Allocation Failure) 0.121: [ParNew: 3155K->512K(4608K), 0.0041165 secs] 3155K->766K(9728K), 0.0042644 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

此時，可以看到新生代就只剩512K的物件，這個奇怪的512KB的物件進入Survivor From區，

那么大小為1MB的陣列物件去哪里呢？肯定不是這個奇怪的512KB的物件，

這1MB的陣列首先肯定是準備進入Survivor From區，可是，在我們設定的JVM引數下，只有0.5MB，明顯是不夠分配的，根據JVM YoungGC的規則,Survivor區放不下GC之后存活的物件，直接進入老年代，

所以，1MB的陣列物件是直接進入到老年代了，

此時，記憶體分配如下：

(2).代碼塊2

緊接這就是這塊代碼：

 array1 = new byte[1 * 1024 * 1024];
 array1 = null;
 array2 = new byte[1 * 1024 * 1024];
 array2 = null;
 array3 = new byte[1 * 1024 * 1024];

這里再次創建了3個1MB的陣列物件，并且會觸發一次YoungGC；

對應 GC日志如下：

0.125: [GC (Allocation Failure) 0.125: [ParNew: 3663K->0K(4608K), 0.0016667 secs] 3917K->1732K(9728K), 0.0017448 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

此時，Young GC之后，新生代變成0KB，那么存活的大小為1MB的陣列物件去哪里呢？

這1MB的陣列首先肯定是準備進入Survivor From區，可是，在我們設定的JVM引數下，只有0.5MB，明顯是不夠分配的，根據JVM YoungGC的規則,Survivor區放不下GC之后存活的物件，直接進入老年代，

所以，1MB的陣列物件是直接進入到老年代了，

之前看到的未知的物件512KB也進入到老年代，此時記憶體分配如下：

(3).代碼塊3
array3 = null;
byte[] array5 = new byte[1 * 1024 * 1024];
array1 = new byte[1 * 1024 * 1024];
array1 = null;
array2 = new byte[1 * 1024 * 1024];

這里再次創建了3個1MB的陣列物件，并且會觸發一次YoungGC；

對應的GC日志如下：

0.127: [GC (Allocation Failure) 0.127: [ParNew: 3142K->0K(4608K), 0.0013221 secs] 4875K->2756K(9728K), 0.0013592 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

此時記憶體分配如下：

(4).代碼塊4
array2 = null;
array3 = new byte[1 * 1024 * 1024];//Y 2MB  O 2MB
array3 = null;
byte[] array6 = new byte[1 * 1024 * 1024];
array1 = new byte[1 * 1024 * 1024];

這里再次創建了3個1MB的陣列物件，并且會觸發一次YoungGC；并且在這兒，觸發Young GC之前觸發了一次CMS的Old GC,觸發的條件就是老年代可用空間小于了歷次Young GC后升入老年代的物件的平均大小，此時新生代大小變成0KB

對應的GC日志如下：

0.129: [GC (CMS Initial Mark) [1 CMS-initial-mark: 2756K(5120K)] 4878K(9728K), 0.0004498 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
0.129: [CMS-concurrent-mark-start]
0.130: [GC (Allocation Failure) 0.130: [ParNew: 3146K->0K(4608K), 0.0005869 secs] 5902K->2756K(9728K), 0.0006362 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

此時記憶體分配如下：

(5).代碼塊5
array1 = null;
array2 = new byte[1 * 1024 * 1024];//Y 2MB
array2 = null;
array3 = new byte[1 * 1024 * 1024];//Y 3MB
array3 = null;
byte[] array7 = new byte[1 * 1024 * 1024];

此時，再創建3個1MB的陣列物件，再次觸發一次Young GC，執行完YoungGC，此時新生代大小變成0KB；

對應的GC日志如下：

0.131: [GC (Allocation Failure) 0.131: [ParNew: 3148K->0K(4608K), 0.0007974 secs] 5904K->3780K(9728K), 0.0008262 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

此時記憶體分配如下：

(6).總結

如下GC堆記憶體日志我們也可以去驗證下上面的推測：

此時新生代使用了53%的大小，我們還有一個1MB的陣列，可能還存在一些未知物件，

在老年代中使用了大約3MB的空間，應該就是上圖中的物件，

Heap
 par new generation   total 4608K, used 2207K [0x00000000ff600000, 0x00000000ffb00000, 0x00000000ffb00000)
  eden space 4096K,  53% used [0x00000000ff600000, 0x00000000ff827f38, 0x00000000ffa00000)
  from space 512K,   0% used [0x00000000ffa80000, 0x00000000ffa80000, 0x00000000ffb00000)
  to   space 512K,   0% used [0x00000000ffa00000, 0x00000000ffa00000, 0x00000000ffa80000)
 concurrent mark-sweep generation total 5120K, used 3780K [0x00000000ffb00000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
 Metaspace       used 2976K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 330K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K

3.幾個觸發Full GC的條件

第一：是老年代可用記憶體小于新生代全部物件的大小，如果沒開啟空間擔保引數，會直接觸發Full GC，所以一般空間擔保引數都會打開；注：jDK1.8之后已經取消了-XX:-HandlePromotionFailure 機制

第二：是老年代可用記憶體小于歷次新生代GC后進入老年代的平均物件大小，此時會提前Full GC；

第三：是新生代Minor GC后的存活物件大于Survivor，那么就會進入老年代，此時老年代記憶體不足，

上述情況都會導致老年代Full GC，

第四：就是“-XX:CMSInitiatingOccupancyFaction”引數，

如果老年代可用記憶體大于歷次新生代GC后進入老年代的物件平均大小，但是老年代已經使用的記憶體空間超過了這個引數指定的比例，也會自動觸發Full GC，默認92%

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