Память

Основные разделы

• Типы памяти
• Garbage Collector
• Виды Garbage Collector
• Garbage Collector по умолчанию
• Вопросы

Class Loader Subsystem

JVM загружает классы с помощью системы загрузчиков (Class Loaders), которая реализует модель делегирования:

• Поиск определения класса (файлы .class, JAR’ы, модули).
• Загрузку его в память.
• Проверку bytecode на валидность и безопасность.
• Определение класса в изолированном пространстве.

• Bootstrap ClassLoader – загружает стандартные классы из JDK (rt.jar или модули JDK).
• Extension ClassLoader – загружает библиотеки из ext директории.
• Application ClassLoader – загружает классы из classpath.
• Пользователь может создать Custom ClassLoader для динамической загрузки (например, в OSGi, плагинах).

Типы памяти

Вся область памяти называется Native Memory

PermGen(Permanent Generation) (deprecated)

С Java 8 ему на смену пришла область Metaspace.

Metaspace

Описание

1. Является общими для всех.
2. MaxMetaspaceSize - макс размер.

Здесь хранятся

1. Структура класса
2. bytecode методов
3. Сигнатуры полей
4. constant pool
5. Информация о методах

CodeCache(кэш кода)

JIT - компилятор компилирует часто исполняемый код, преобразует его в нативный машинный код и кеширует для более быстрого выполнения.

Heap(куча)

Heap
├── Young Generation - вновь созданные объекты.
│   ├── Eden Space - вновь созданные объекты.
│   └── Survivor Spaces (S0, S1) - те, кто “выжил” после первой сборки.
└── Old Generation (Tenured) - объекты, пережившие несколько сборок, считаются “долгоживущими”.
        

Описание

1. Используется Java Runtime для выделения памяти и хранения объектов и JRE классов.
2. Здесь работает Garbage Collector: освобождает память путем удаления объектов, на которые нет каких-либо ссылок.
3. Любой объект, созданный в куче, имеет глобальный доступ и на него могут ссылаться с любой части приложения.
4. Доступно для всех потоков.
5. Для JVM мы можем задать начальный пул выделения памяти (Xms) и максимальный пул выделения памяти (Xmx).
6. Если куча переполнена получаем OutOfMemoryError.

Здесь хранятся

1. При запуске программы сюда загружаются все классы среды выполнения
2. Objects
3. Object fields(включая примитивные)
4. Static fields
5. Pool String

Stack

Описание

Каждый поток, работающий в виртуальной машине Java, имеет свой собственный стек.

1. Всякий раз, когда вызывается метод, в памяти стека создается новый блок, и после его завершения удаляется вместе с переменными(LIFO).
2. Размер стековой памяти намного меньше объема памяти в куче.
3. Используется только одним потоком.
4. Для JVM мы можем задать максимальный пул стековой памяти(Xss).
5. Если память стека переполнена получаем StackOverflowError.

Здесь хранятся

1. Stack вызова методов.
2. Локальные(внутри методов) примитивы.
3. Ссылки на локальные объекты(которые хранятся в heap).

Garbage Collector

Мусор - object в Heap на которого никто не ссылается.

Алгоритм работы GC: по фазам

• Mark - сканирует все объекты и помечает живые. Выполнение программы приостанавливается("Stop the World").
• Sweep - удаляются все немаркированные объекты.
• Compact(в некоторых GC) - оставшиеся объекты подвигаются друг к другу для удобства. Чтобы избежать фрагментации.

Типы сборок:

• Minor GC - запускается при заполнении Eden. Очищаются только молодые поколения. Быстро, но может происходить часто.
• Major GC/Full GC - включает Old Gen и Metaspace. Дорогая операция, может “заморозить” все потоки (stop-the-world pause).

Алгоритм сборки мусора, использующий поколения

1. Новые объекты создаются в EDEN.
2. Когда область Eden заполняется, происходит минорная сборка мусора (Minor GC). Minor GC — mark и sweep выполняются для young generation.
3. Живые объекты перемещаются в одну из областей Survivor (например, S0).
4. При следующем Minor GC процесс повторяется. Но объекты в областях S0 и S1 меняются метами, увеличивая свой возраст.
5. Объекты между областями Survivor копируются определенное количество раз (пока не переживут определенное количество Minor GC) или пока там достаточно места. Затем эти объекты копируются в область Old.
6. Major GC - этапы mark и sweep выполняются для Old Generation. Major GC работает медленнее по сравнению с Minor GC, поскольку старое поколение в основном состоит из живых объектов.

Как GC определяет, что объект мёртв?

GC не использует reference count. Он строит граф достижимости:

• Начинает с “корней” (GC roots)
• Если оттуда нельзя добраться до объекта — он считается мусором
• Это позволяет избежать утечек при циклических ссылках

Сборка мусора: флаги

• -XX:NewRatio=n - отношение размера Old Generation к Young Generation
• -XX:SurvivorRatio=n - отношение размера Eden к Survivor
• -XX:MaxTenuringThreshold=n - возраст объекта, когда объект перемещается из области Survivor в область Old Generation

Включение логов GC

-XX:+PrintGCDateStamps -verbose:gc -XX:+PrintGCDetails -
Xloggc:/tmp/[Application-Name]-[Application-port]-%t-gc.log -
XX:+UseGCLogFileRotation -XX:NumberOfGCLogFiles=20 -
XX:GCLogFileSize=100M
        

Виды Garbage Collector(сборщик мусора)

1. Serial GC - S GC

   Один поток. Просто и медленно.

   -XX:+UseSerialGC

2. Parallel GC - P GC

   Несколько потоков.

   Многопоточность ускоряет сборку мусора.

   Высокая пропускная способность.

   -XX:+UseParallelGC

3. CMS Garbage Collector - CMS GC
4. G1 GC - G1 GC

   Выполняет некоторую тяжелую работу параллельно с работой приложения.

   -XX:+UseG1GC

5. The Z GC - ZGC

   Выполняет всю тяжелую работу параллельно с работой приложения.

   В приоритете время отклика.

   Работает с огромными кучами(до терабайта).

   Низкая задержка.

   -XX:+UseZGC

Немного примеров настройки GC

Настроить GC для веб-серверного приложения, где приоритетом является минимизация времени остановки для низкой задержки.

java -XX:+UseG1GC -Xms4G -Xmx4G -XX:MaxGCPauseMillis=200 -jar my-web-app.jar

• -XX:+UseG1GC: Использование G1 GC, который подходит для приложений с большим объемом памяти и требующих низких пауз GC.
• -Xms4G и -Xmx4G: Установка начального и максимального размера кучи в 4 ГБ.
• -XX:MaxGCPauseMillis=200: Целевое значение для максимальной длительности паузы GC в 200 мс.

Настроить GC для приложения обработки больших данных, где важна общая пропускная способность и эффективность использования памяти.

java -XX:+UseParallelGC -Xms8G -Xmx8G -XX:ParallelGCThreads=8 -jar my-data-processing-app.jar

• -XX:+UseParallelGC: Использование Parallel GC, который эффективен для многопоточных систем.
• -Xms8G и -Xmx8G: Установка начального и максимального размера кучи в 8 ГБ.
• -XX:ParallelGCThreads=8: Установка количества потоков для Parallel GC, оптимизировано для многопроцессорных систем.

Настроить GC для настольного приложения с пользовательским интерфейсом, требующего коротких пауз GC для обеспечения плавности работы.

java -XX:+UseConcMarkSweepGC -Xms512M -Xmx512M -jar my-desktop-app.jar

• -XX:+UseConcMarkSweepGC: Использование CMS GC, который минимизирует время остановки приложения.
• -Xms512M и -Xmx512M: Установка начального и максимального размера кучи в 512 МБ, достаточно для многих настольных приложений.

Настроить GC для сервера приложений, обрабатывающего высокие нагрузки и требующего большого объема памяти и высокой пропускной способности.

java -XX:+UseG1GC -Xms16G -Xmx16G -XX:ConcGCThreads=10 -jar my-high-load-server-app.jar

• -XX:+UseG1GC: Использование G1 GC, который подходит для серверных приложений с большим объемом памяти.
• -Xms16Gи-Xmx16G: Установка начального и максимального размера кучи в 16 ГБ.
• -XX:ConcGCThreads=10: Настройка количества потоков для параллельной сборки мусора.

Настроить GC для приложения с критически важными требованиями к низкой задержке.

java -XX:+UseZGC -Xms4G -Xmx4G -jar my-low-latency-app.jar

• -XX:+UseZGC: Использование Z Garbage Collector, который предназначен для систем с ультранизкими задержками.
• -Xms4G и -Xmx4G: Установка начального и максимального размера кучи в 4 ГБ для управления большими объемами данных с минимальными паузами.

Советы по оптимизации

• Избегайте долгоживущих ссылок (static, ThreadLocal) без необходимости.
• Используйте WeakReference, если хотите избежать удержания объекта GC.
• Кэшируйте объекты осознанно — утечка через Map может быть незаметной.
• Задавайте лимиты памяти (-Xms512m -Xmx1024m).

Garbage Collector by default.

1. Java 7 - Parallel GC
2. Java 8 - Parallel GC
3. Java 9 - G1 GC
4. Java 10 - G1 GC
5. Java 11 - Z GC

Memory leak

Memory leak - объект уже не нужен, но GC не может его удалить, потому что на него осталась ссылка. То есть память логически свободна, но технически занята.

• static живёт всё время жизни JVM.
• Слушатели/callbacks/observers
• Кеш без ограничений. ИспользуЙ:Caffeine, Guava, Cache Redis.

Как найти memory leak

• Heap dump - jmap -dump:live,format=b,file=heap.hprof
• Анализ dump’а - VisualVM, Eclipse MAT, JProfiler.
• Быстрый чек через jcmd

Вопросы

System.gc() - метод для выполнения сбора мусора. Но JVM сама решить запускать или нет.

finalize() - вызывается перед удалением объекта. С Java 9 не рекомендуем к использованию.

Happens-Before

Happens-before - правило из Java Memory Model(JMM), которое определяет, когда изменения одного потока гарантированно видны другому потоку.

Если действие A happens-before B, то: A выполнится раньше B. Все изменения памяти, сделанные в A, будут видны в B.

Happens-before = гарантия видимости + гарантия порядка.

Основные правила happens-before

• Правило порядка в одном потоке - внутри одного потока код выполняется последовательно.
• Правило synchronized
• Правило volatile - гарантирует: видимость и запрет переупорядочивания вокруг этой переменной.
• Правило Thread.start() - что происходит до вызова start(), happens-before коду внутри нового потока.
• Правило Thread.join()
• Правило для concurrent-коллекций - обеспечивают необходимые happens-before гарантии при своих операциях.

Типы ссылок в java

Strong Reference(сильная ссылка)

• Это обычные ссылки, которые мы используем каждый день.
• Пока на объект существует(хотя бы одна сильная ссылка) и не заменен на null - он не подлежит сборке мусора.
• Чтобы объект мог быть собран, все сильные ссылки на него должны быть обнулены.

Object obj = new Object();

Soft Reference(мягкая ссылка)

• Объект удаляется только при нехватке памяти.
• Используется в кешах, чтобы не загружать память, но сохранить объект, если он ещё полезен.
• Можно получить объект через ref.get(), но если GC уже удалил его — вернётся null.

SoftReference<Object> ref = new SoftReference<>(new Object());

Weak Reference(слабая ссылка)

• Объект может быть собран немедленно, даже если только слабые ссылки на него остались.
• Используется для реализации структур с автоудалением(например, WeakHashMap).
• Часто применяется, когда объект должен быть доступен «до тех пор, пока он кому-то нужен».

WeakReference<Object> ref = new WeakReference<>(new Object());

Phantom Reference(фантомная ссылка)

• Объект уже помечен как удаляемый, но ещё не собран GC.
• Метод get() всегда возвращает null.
• Используется для контроля финализации и освобождения ресурсов вне heap(например, off-heap, native).
• Требует ReferenceQueue, через которую можно узнать, что объект вот-вот будет удалён.

PhantomReference<Object> ref = new PhantomReference<>(new Object(), referenceQueue);