Введение в Java Process Memory Model

Каждое Java приложение, после запуска, создаёт десятки, сотни, тысячи объектов в памяти компьютера на котором оно запущено. Память, при этом, ресурс не бесконечный, и поэтому необходимо использовать его эффективно. Виртуальная Машина Java (Java Virtual Machine, далее JVM) умеет грамотно распоряжаться памятью и помогает нам, разработчикам, управляя ею автоматически.

О том, как именно JVM работает с памятью во время работы Java приложения мы поговорим в этой статье.

Зачем вообще разработчику знать о памяти Java процесса?

Java — это язык программирования с автоматическим управлением памятью.

Очень хороший вопрос. Действительно, Java — язык с автоматическим управлением памятью. Разработчику вообще можно ничего не знать о том, как JVM работает с ней. Но — можно ли с уверенностью сказать, что разработчик не влияет на работу его приложения с памятью? Нет, конечно же — нет.

Хотя JVM и выделяет память под созданные разработчиком объекты, прибирает ресурсы после их использования, далеко не так редко, как хотелось бы, возникают проблемы с утечкой памяти или её нехваткой. Проблемы такого рода не могут быть обработаны средствами JVM и требуют вмешательства человека.

Память Java процесса

Память, выделяемая Java процессу, представляет из себя набор из двух областей:

PermGen (до Java 8) / Metaspace (заменил PermGen, начиная с Java 8)
Heap или Куча

Каждая из областей имеет собственное предназначение.

Metaspace

Metaspace — это область памяти в которой хранится статическая инфорация Java приложения, такая как метаданные загруженных классов. По умолчанию, metaspace увеличивается автоматически и не имеет явного ограничения. Без установленного ограничения размер metaspace неявно ограничен объёмом системной памяти хоста.

Управление Metaspace

Управлять metaspace областью можно с помощью следующих флагов JVM:

-XX:MetaspaceSize — минимальный объём памяти для области
-XX:MaxMetaspaceSize — максимальный объём памяти для области
-XX:MinMetaspaceFreeRatio — минимально зарезервированный размер памяти после очистки GC (в процентах)
-XX:MaxMetaspaceFreeRatio — максимально зарезервированный размер памяти после очистки GC (в процентах)

Heap

Heap — это область памяти в которой хранятся инстансы объектов. Каждый раз, когда разработчик создаёт инстанс какого-либо класса с помощью операции new(пример: new Object()), память под объект выделяется именно в heap’е.

Строковый пул, так же, начиная с Java 7 располагается в heap’е.

Heap, в свою очередь, содержит несколько подобластей, каждая из которых выполняет свою определённую роль. Поговорим о них подробнее. Следующие подобласти относятся к heap’у:

Eden
Survival (S0 & S1)
Old Gen

Рисунок 2. Сегменты Heap'а — Рисунок 2. Сегменты Heap’а

Eden

Это сегмент heap области в который свежесозданные объекты попадают в первую очередь. Каждый раз, когда в Java приложении выполняется инструкция new, память, выделяемая под новый инстанс, выделяется именно в Eden сегменте.

Для этого правила есть исключения — если размер памяти, необходимый для хранения инстанса достаточно большой, то JVM может выделить память под него сразу в Old Gen сегменте.

Надолго свежесозданные объекты в Eden сегменте не задержатся. После первого же запуска процесса сборки мусора, они либо будут удалены из памяти, либо будут перенесены в Survival сегменты heap’а.

S0 и S1 — Survival

Survival сегмент области heap’а используется JVM для хранения объектов, которые пережили один и более проходов сборщика мусора.

Survival сегмент представлен в JVM двумя сегментами — S0 и S1. Они служат неким «перевалочным пунктом» для объектов на пути к Old Gen сегменту. В S0 и S1 сегментах объекты могут провести какое-то время до тех пор, пока они не будут удалены из памяти или переведены в Old Gen сегмент.

Если быть точным, то в JVM есть настройка, позволяющая указать количество запусков сборки мусора, которое объект должен пережить, для того, чтобы попасть в Old Gen сегмент. По умолчанию, это количество равно 15.

Почему Survival область представлена двумя сегментами S0 и S1? Всё дело в том, что для ускорения очистки памяти и исправления её фрагментации, в ходе процесса сборки мусора два этих сегмента дефрагминтируются и меняются местами.

Old Gen

Old Gen сегмент heap’а используется для хранения объектов, которые пережили установленное количество запусков сборки мусора.

Полная схема памяти Java процесса выглядит следующим образом:

Рисунок 3. Полная схема памяти Java процесса

Управление Heap

Управлять heap областью можно с помощью следующих флагов JVM:

-Xms — минимальный объём памяти всей области
-Xmx — максимальный объём памяти всей области
-XX:NewSize — минимальный объём памяти Eden сегмента
-XX:MaxNewSize — максималный объём памяти Eden сегмента
-XX:SurvivorRatio — соотношение между объёмами памяти Eden и Survival сегментов

Зачем использовать разные области и сегменты памяти? Потому что это позволяет организовать процесс сборки мусора наиболее оптимальным образом для каждого из сегментов, с учётом специфики каждого.

Где это может пригодиться?

Прежде всего грамотный разработчик знает особенности платформы с которой он работает. Поэтому знание того, как Java приложение работает с памятью позволяет не только козырять на собеседованиях, но и даёт возможность взглянуть на работу Вашего приложения с нового ракурса.

Если Вы заметили, что Вашего приложение неотзывчиво в некоторых сценариях или в целом, то первое на что стоит обратить внимание, так это на то, как Ваше приложение распоряжается отведённой ему памятью. Сделать это можно, например, с помощью VisualVM — бесплатной утилиты для мониторинга JVM приложений.

Заключение

В этой статье мы рассмотрели как выглядит память Java процесса, какие стадии проходит Java объект за время своей жизни. Так же мы узнали о флагах, которые позволяют контролировать работу JVM с памятью.

Работа JVM с памятью непосредственно связана с такой сложной темой как сборка мусора. И сегодня Вы сделали первый шаг на пути к пониманию потаённой стороны Java.

Список материалов

Дополнительные источники информации о коммуникациях, могут быть найдены в следующих источниках:

«Презентация Troubleshooting Memory Issues in Java Applications» — краткое пояснение имеющихся областей памяти JVM.
«Гайд по флагам JVM» — список полезных флагов JVM с пояснением.
«HotSpot Virtual Machine Garbage Collection Tuning Guide» — официальный документ от Oracle о настройке сборщиков мусора. В нём можно найти описания областей памяти и их сегментов.
https://fullstackguy.anverbogatov.ru/jvm-process-memory-model/ — оригинал этой статьи на сайте моего образовательного проекта

Ещё материалы по теме

ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/744834/