Administracion de Memoria Java

Administracin de memoria en Java

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Temario Qu es la memoria?

Quin esta a cargo del manejo de la memoria en Java?

reas de memoria (Runtime Data Areas)

- Stack

- Heap rea

- Non-Heap rea

Qu pasa cuando ejecutamos nuestro programa Java?

Ciclo de vida de los objetos

Size of tipos primitivos vs Wrappers

Size of Objetos

Modelo de memoria de la JVM y sus parmetros

Garbage Collector

Que es un OOM (Out Of Memory)?

Qu tipos de OOM podemos encontrar?


Que es la memoria?

La memoria es la parte utilizada por los sistemas informticos para

almacenar informacin en tiempo de ejecucin, o sea estamos hablando de

memoria voltil, por lo cual su contenido se pierde cuando se apaga el

equipo.


Quin esta a cargo del manejo de la memoria en Java?

La JVM (Java Virtual Machine) es la encargada de ejecutar nuestros

programas Java, pero a su vez es la que esta a cargo de reservar, asignar

y liberar la memoria utilizada por nuestra aplicacin.

La arquitectura de la JVM contiene diversas partes las cuales cumplen

distintos objetivos al referirnos al manejo de memoria debemos mencionar

estamos hablando del rea llamada Runtime Data Areas



Estructura de la JVM

reas de memoria (Runtime Data Areas)


Stack



Cada thread creado por la JVM posee su propio PC Register (Program

Counter) y su propio Stack Frame.

Program Counter

- Es el encargado de mantener un puntero a la instruccin que esta siendo

ejecutada en un determinado momento por un hilo en particular, se va ir

desplazando por el cdigo.

Stack Frame

- Frame: Cada mtodo invocado crea un nuevo frame, este es usado para

almacenar datos y resultados parciales, solo un frame esta activo a la vez. El

frame es destruido cuando finaliza la invocacin del mtodo esta puede ser de

manera normal o abrupta.

- Local Variables: Cada frame contiene un array con sus propias variables

locales.

- Operand Stack: Cada frame contiene una pila, cuando un nuevo frame es

creado este se encuentra vaco, en esta estructura se van alocando las

instrucciones a ejecutar.

Heap Area & Non-Heap Area


Heap Area


El Heap es el espacio de memoria en donde se almacenan las instancias

de clases (Objetos) y arreglos. Esta puede crecer o ser reducida

automticamente bajo demanda. El Garbage Collector (GC) es el

encargado de reclamar el espacio que los objetos van liberando. Esta rea

es compartida por todos los threads.

Podemos identificar las siguientes dos partes

Young Generation

- Eden Space: Esta es el rea inicial donde se inicializan la mayora de los

objetos.

- Survivor Space: En esta rea se almacenan los objetos que han sobrevivido a

la recoleccin de basura en el Eden. En general esta rea esta dividida en dos

partes From y To.

Old Generation

- Tenured Space: Contiene los objetos que han existido por un tiempo largo y

que han pasado por el Survivor space.

Non-Heap Area


Esta rea incluye los objetos que son considerados parte de la JVM. Al

igual que el heap esta puede crecer o ser reducida automticamente bajo

demanda. Dependiendo de la implementacin de la JVM el GC puede

actuar sobre esta rea o compactarla. Esta rea es compartida por todos

los threads.

Podemos identificar las siguientes dos partes

Permanent Generation

- Este espacio contiene todos los datos reflectivos de la JVM como por ejemplo

clases y mtodos. Adems contiene la estructura por clase (Propiedades, Firma

de mtodos e implementacin de mtodos). Esta rea adems contiene dos

espacios llamados Shared-RO and Shared-RW

Code Cache

- Contiene la memoria usada para el cdigo compilado por el JIT compiler y

almacenado de cdigo nativo


Runtime Constant Pool

From Permanent Generation To Metaspace


Debido a que algunas implementaciones no usan este espacio y usan

espacio nativo, la gente de Oracle decidi eliminar esta rea y usar un

nuevo llamado Metaspace. Este cambio se espera para JDK 8.

Resize automtico de esta rea

Algunas cosas se movieron al Heap

Nuevo flag MaxMetaspaceSize

Recoleccin automtica al alcanzar el valor definido antes

Ejemplo


HelloWorld.java

RuntimeConstantPool.java

Qu pasa cuando ejecutamos nuestro programa Java?


Classloaders


Bootstrap Classloader carga el API bsica de Java e inicia el System Class Loader.

El System Classloader enva los archivos .class por medio de un stream binario a la JVM.

Usando ese stream la JVM obtiene la siguiente informacin

- Constantes, literales.

- Paquetes, modificadores, variables estticas.

- Informacin de atributos.

- Informacin de mtodos.

- Referencias al Classloader y a la Clase.

Esta informacin es almacenada en el Method Area.

Se crea el Thread-Main el cual busca el mtodo main (Recordar que cada thread tiene su propio Stack).

El Program Counter va ejecutando el cdigo, usando las distintas reas de memoria.

Para recordar acerca de los Classloaders


Delegation (Delegacin): El Classloader actual siempre va a delegar la tarea de carga la clase a su padre antes de intentar

cargarla el mismo.

Visibility (Visibilidad): Las clases cargadas por los Classloaders padres son vistas por todos los hijos pero no de modo inverso.

Uniqueness (Unicidad): Una vez que la clase es cargada por cualquiera de sus Classloaders padres, el hijo nunca volver a

cargarla.

Configurable (Configurable): La mayora de servidores de aplicaciones crean sus propios Classloaders utilizando como

padre al System Classpath Classloader

Ejemplo


ClassLoaderDelegation.java

Ciclo de vida de los objetos


Class Loading

- La primera vez que se crea un objeto de esa clase.

- Cuando se accede a una propiedad o mtodo esttico de esa clase por primera vez.

Inicializadores estticos

- Inmediatamente despus de cargar la clase se ejecutan los inicializadores estticos

de la clase.

Creacin del objeto

Un objeto es una instancia de una clase, la creacin de un objeto tiene tres

partes.

- Declaracin

- Instanciacin

- Inicializacin

Uso del objeto

Limpieza (Mtodo Finalize y luego GC)

Ejemplo


LifeCycle.java

Size of tipos primitivos vs wrappers


Primitive Type Size (Bytes) Wrapper Type Size (Bytes)

char 2 Character 16

byte 1 Byte 16

short 2 Short 16

int 4 Integer 16

long 8 Long 16

float 4 Float 16

double 8 Double 16

boolean 1 Boolean 16

Como se puede observar la diferencia entre usar tipos primitivos y

usar sus wrappers puede ser bastante grande.

Ejemplos


SizeOfPrimitives.java

SizeOfWrappers.java

Size of Objetos


Como vimos antes los wrappers pueden consumir mucha memoria,

pero lo importante es entender el porque de esto.

Reglas:

Objetos:

- El tamao base de cualquier objeto es 8 bytes.

- El tamao total de un objeto siempre es mltiplo de 8 (Esto se lo conoce como

padding)

Atributos:

- Si el tipo del atributo es primitivo ocupa el size que le corresponde.

- Si el tipo del atributo es un objeto, entonces ocupa 4 bytes porque es una

referencia.

Arrays:

- Array de primitivos ocupa: 8 (Base) + 4 (Length) + Length * size del tipo primitivo.

- Array de objetos ocupa: 8 (Base) + 4 (Length) + Length * 4 (Size de una

referencia).

Shallow size vs. Retained size


Figura 1:

Objeto 1: Retained size obj1, obj2, obj4

Objeto 2: Retained size obj2, obj4

Figura 2:

Objeto 1: Retained size obj1, obj2, obj3, obj4

Objeto 2: Retained size obj2, obj3, obj4

Ejemplos


SizeOfObjects.java

ShallowVsRetained.java

Modelo de memoria de la JVM


Debemos tener en cuenta que la mxima memoria que podemos asignar a un

proceso Java va a depender del Sistema Operativo (SO) y de la JVM que

estemos usando.

JVM 32 bits: Valor mximo aproximado 2GB.

JVM 64 bits: Valor muy superior a la de 32 bits. Aproximadamente (2^48).

Parmetros de memoria



-Xms = Mnimo tamao del Heap.

-Xmx = Mximo tamao del Heap.

-XX:NewSize = Tamao inicial del Eden + Survivor Space.

-XX:MaxNewSize / -Xmn = Mximo tamao de Young Generation.

-XX:PermSize = Mnimo tamao del PermGen (Permanent Generation).

-XX:MaxPermSize = Mximo tamao del PermGen (Permanent Generation).

Parmetros JVM


Parmetro Definicion Ejemplo

-Xms Minimo tamao del Heap -Xms512M

-Xmx Maximo tamao del Heap -Xmx512M

-XX:NewSize Tamao inicial del Eden + Survivor Space -XX:NewSize=128M

-XX:MaxNewSize / -Xmn Mximo tamao de Young Generation -XX:MaxNewSize=128M

-XX:NewRatio Ratio entre Young y Old generation -XX:NewRatio=3

-XX:SurvivorRatio Ratio entre Eden y Survivor -XX:SurvivorRatio=6

-XX:PermSize Mnimo tamao del PermGen (Permanent Generation) -XX:PermSize=64M

-XX:MaxPermSize Mximo tamao del PermGen (Permanent Generation) -XX:MaxPermSize=128M

-Xss -XX:ThreadStackSize Tamao de cada stack de cada Thread -XX:ThreadStackSize=256k

-XX:MinHeapFreeRatio Indica el minimo de Heap libre antes de pedir memoria -XX:MinHeapFreeRatio=40

-XX:MaxHeapFreeRatio Indica el maximo de Heap libre antes de liberar memoria -XX:MaxHeapFreeRatio=70

-XX:TargetSurvivorRatio Indica hasta que porcentaje se puede llenar el Survivor antes de mover al Old -XX:TargetSurvivorRatio=90

Ejemplos


JVMParameters.java

MemoryViewer.java


La Recoleccin de basura automtica es el proceso de buscar en la

memoria y liberar aquellos objetos que estn disponibles para ser

recolectados, podemos identificar dos tipos de objetos

Reachable (Objeto sobre el cual aun hay referencias) : Significa que alguna

parte de nuestro programa todava mantiene una o mas referencias a ese

objeto.

Unreachable (Objeto el cual no puede ser referenciado): Ya no se hace

referencia en ninguna parte del programa no hay forma de obtener la

referencia a ese objeto. As que la memoria utilizada por un objeto no

referenciado puede ser reclamada.

En un lenguaje de programacin como C, asignar y desasignar la memoria

es un proceso manual. En Java, el proceso de cancelar la asignacin de

memoria es manejado automticamente por el recolector de basura.

Garbage Collector

Garbage Collector Behaviour



Lnea #6 Lnea #8

Lnea #11

System.runFinalization(): Le sugiere a la

JVM a ejecutar el mtodo finalize de los

objetos que estn en la cola de finalizacin.

System.gc(): Le sugiere a la JVM ejecutar el

garbage collector para reclamar espacio y

liberar memoria.


Tipos de recolecciones

Existen dos tipos de recolecciones

Minor GC

- Ejecutado en el Young Generation, cuando el Eden se encuentra lleno o antes

de incrementar el espacio de esta rea se ejecuta esta recoleccin. Aqu se usa

un algoritmo de copia.

Full GC

- Ejecutado en el Tenured Generation, cuando el Old se encuentra lleno se

ejecuta esta recoleccin o antes de incrementar el espacio de esta rea. Aqu

se puede usar el algoritmos MSC(Mark- Sweep- Compact) o CMS (Concurrent

Mark Sweep), este ultimo no compacta los objetos luego de su ejecucin lo cual

genera que pedir memoria sea un poco mas complejo. Incluye el PermGen en

su recoleccin.


Algoritmo de Copia (Paso 1)


Algoritmo de MSC (Paso 1)


Algoritmo de CMS

N Fase Descripcion

1 Initial Mark

(Stop the World Event) Es una pausa pequea donde todos los objetos "reachable" son marcados.

2 Concurrent Marking Busca objetos vivos mientras la aplicacin se ejecuta en otro hilos.

3 Remark

(Stop the World Event) Busca los objetos que no fueron encontrados durante la parte 2.

4 Concurrent Sweep Remueve los objetos que son "unreachable", es importante notar que los objetos

"reachable" no son movidos, o sea no hay compactacion.

5 Resetting Se prepara para la siguiente ejecucin limpiando las estructuras usadas.


Tipos de GC por reas de memoria


Young Generation:

"Serial" corre en un solo hilo y es del tipo STW (Stop-the-world).

"Parallel Scavenge" corre en mltiples hilos y aunque es del tipo STW (Stop-the-world), obtiene una mejor performance.

"ParNew" es igual que el "Parallel Scavenge" pero esta mejorado para trabajar de forma concurrente con "CMS".

Tenured Generation:

"Serial Old" corre en un solo hilo y es del tipo STW, usa el algoritmo Mark-Sweep-Compact.

"Parallel Old" corre en mltiples hilos, tambin es del tipo STW.

"CMS" corre de forma concurrente la mayor parte del tiempo y tiene pequeas pausas donde se ejecuta en forma STW.


GC Collectors

JVM Young Collector Tenured Collector

-XX:+UseSerialGC Serial Serial Old (MSC)

-XX:+UseParNewGC ParNew Serial Old (MSC)

-XX:+UseParallelGC Parallel Scavenge Serial Old (MSC)

-XX:+UseParallelOldGC Parallel Scavenge Parallel Old

-XX:-UseParNewGC

-XX:+UseConcMarkSweepGC Serial CMS + Serial Old (MSC)

-XX:+UseParNewGC

-XX:+UseConcMarkSweepGC ParNew CMS + Serial Old (MSC)

-XX:+UnlockExperimentalVMOptions

-XX:+UseG1GC G1


JVM Ergonomics

Desde el JDK 5.0 la JDK detecta en que tipo de maquina esta y cambia su

configuracin, modo cliente o modo servidor.

Estos cambios incluyen:

- Configuracin de memoria mnima y mxima para el Heap.

- Seleccin automtica del GC.

- Activa el resize automtico para el rea Young y Tenured.

- Otras configuraciones adicionales.


Analizando el GC (Parmetros)

Parmetro Definicion

-verbose:gc Imprime informacion por consola del GC

-Xloggc:GCLogs.log Guarda la misma informacin que -verbose:gc en un archivo que le indiquemos pero adems agrega mas detalle

-XX:+PrintGCDetails Imprime el detalle de cada recoleccion

-XX:+PrintGCDateStamps Imprime DateStamps para cada GC (Dia+Hora+Minutos+Segundos+Milisegundos)

-XX:+PrintGCTimeStamps Imprime el TimeStamp para cada recoleccion


Analizando el GC (Revisando el output)

Ejemplos


GCMXBean.java

GCDetails.java

Que es un OOM (Out Of Memory)?


Este es el error que se suele producir debido a que la JVM se

queda sin memoria disponible.

Existen varios tipos de OOM y en base a cual de ellos nos

estemos enfrentando sabremos si es porque la JVM se que sin

memoria en una rea o en otra.

Tipos de OOM


java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread

- OOM en la memoria nativa, esta rea no es controlada por nosotros sino que la maneja el SO (Sistema

Operativo).

Java 32-bit Native Heap = Max Process Size Java Heap PermGen

Java 64-bit Native Heap = Memoria Fisica & Virtual Java Heap PermGen

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

- OOM en el Java Heap, esto se produce cuando tenemos demasiados objetos en memoria o tenemos

un posible Memory Leak (Fuga de memoria).

java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

- OOM en el PermGen Space, esto se produce porque estamos cargando muchas clases por nuestra

aplicacin, o almacenando muchos String en la cache de constantes o en servidores de aplicaciones

donde intentamos desplegar la aplicacin y los ClassLoader quedan referenciados.

java.langOutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded

- Este error sucede cuando el GC esta gastando mucho tiempo en limpiar la memoria y la memoria

recuperada en muy poca.

java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit

- Este error sucede porque estamos intentando crear un vector mas grande que nuestro heap.

Ejemplos


OOMNativeHeap.java

OOMJavaHeapSpace.java

OOMPermGenSpace.java

OOMRequestArraySize.java

OOM vs Memory Leak


No todo OOM indica una fuga de memoria (Memory Leak)

- Puede haber una fuga de memoria.

- La aplicacin puede necesitar mas memoria.

Heap Dump


Un Heap dump es una foto de la memoria de un proceso Java

en un determinado momento.

Dependiendo de la JVM el Heap dump puede contener una

informacin o otra, adems en general antes de ejecutar el

volcado un recoleccin completa es ejecutada (Full GC).

Obteniendo un Heap Dump


Aplicacin Externa

Alguna aplicacin externa como VisualVM.

HeapDumpOnOutOfMemoryError

Cuando la aplicacin arroje un OOM se generara un heap dump, usando el HeapDumpPath

configurado.

Jmap

Tool que viene incorporada en el jdk.

jmap -dump:file=

Jmap (Desde la aplicacin)

Podemos usar los MXBean para ejecutar el jmap desde la aplicacin.

HotSpotDiagnosticMXBean(Usando Reflection)

Usando el DiagnosticMXBean para hacer el dump

Heap Dump (Parmetros JVM)


Parmetro Definicion Ejemplo

-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError Activa la generacion de un Heap Dump frente a un OOM -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

-XX:HeapDumpPath Indica el Path para el Heap Dump -XX:HeapDumpPath=C:\temp

Ejemplo


MainHeapDump.java

HeapDumpPath.java

Analizando un Heap Dump (Puntos clave 1)


Revisar memoria consumida y numero de instancias.

- Wrappers grandes consumidores de memoria.

Histogram

- Nos muestra la cantidad de objetos por cada clase.

Analizar el Dominator Tree

- Esta estructura nos muestra los objetos mas grandes, aqu debemos ver que la lista esta

compuesta de lo que esperamos, en general aqu podremos ver cache no liberadas.

Group By por clase

- Esta opcin nos permite ver la memoria que consume cada clase, de esta forma

podremos detectar objetos que se repiten varias veces y consumen un gran volumen.

Group By por value

- En general para analizar si tenemos Wrappers duplicados.

Keep Unreachable objetcs

- Debemos prender esta opcin en el MAT para que no elimine los objetos que serian

unreachables.

Object Query Language (OQL)

- Lenguaje de consulta que nos deja interactuar con los objetos del Heap.

Analizando un Heap Dump (Puntos clave 2)


Revisar GC Roots

- El Garbage collector recorre la memoria usando GC roots, lo cuales son porciones de memoria que

pueden ser accedidas desde afuera del Heap.

- Local Variables.

- Thread activos.

- Variables estticas.

- Referencias JNI

Shallow size vs. Retained size

- Shallow size: Es el espacio ocupado por el objeto en si mismo.

- Retained size: Es el espacio ocupado por el objeto en si mismo mas la suma de todos los shallow sizes

que son accedidos directamente o indirectamente solo desde este objeto

JDK Tools


Jps

- Nos brinda informacin de los procesos Java corriendo en nuestra computadora y no

entrega el PID.

Jmap

- Nos ofrece informacin de las reas de memoria del proceso Java indicado y adems nos

permite generar Heap Dumps y Histogramas.

Jhat

- Herramienta de anlisis del Heap, es experimental y puede no estar incluida en futuras

versiones.

Jstat

- Nos brinda informacin estadstica sobre el proceso Java que le indicamos, esta

estadsticas incluyen tiempo del GC, JIT Compiler, Classloaders.

Jstack

- Ejecuta un Thread Dump o sea un volcado de cada Thread.

Jinfo

- Brinda informacin de configuracin de un proceso Java.

Links


VisualVM

http://visualvm.java.net/

Memory Analyzer (MAT)

http://www.eclipse.org/mat/downloads.php

GCViewer

https://github.com/chewiebug/GCViewer/wiki/Changelog

Jprofiler

http://www.ej-technologies.com/products/jprofiler/overview.html

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