Administración de memoria en java

Administración de memoria en Java
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Temario
 ¿Qué es la memoria?
 ¿Quién esta a cargo del manejo de la memoria en Java?
 Áreas de memoria (Runtime Data Areas)
- Stack
- Heap Área
- Non-Heap Área
 ¿Qué 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 parámetros
 Garbage Collector
 ¿Que es un OOM (Out Of Memory)?
 ¿Qué tipos de OOM podemos encontrar?

¿Que es la memoria?
La memoria es la parte utilizada por los sistemas informáticos para
almacenar información en tiempo de ejecución, o sea estamos hablando de
memoria volátil, por lo cual su contenido se pierde cuando se apaga el
equipo.

¿Quién 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 aplicación.
La arquitectura de la JVM contiene diversas partes las cuales cumplen
distintos objetivos al referirnos al manejo de memoria debemos mencionar
estamos hablando del área llamada ‘Runtime Data Areas’

Estructura de la JVM

Áreas 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 instrucción que esta siendo
ejecutada en un determinado momento por un hilo en particular, se va ir
desplazando por el código.
 Stack Frame
- Frame: Cada método 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 invocación del método 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 vacío, 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
automáticamente bajo demanda. El Garbage Collector (GC) es el
encargado de reclamar el espacio que los objetos van liberando. Esta área
es compartida por todos los threads.
Podemos identificar las siguientes dos partes
 Young Generation
- Eden Space: Esta es el área inicial donde se inicializan la mayoría de los
objetos.
- Survivor Space: En esta área se almacenan los objetos que han sobrevivido a
la recolección de basura en el Eden. En general esta área 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 área incluye los objetos que son considerados parte de la JVM. Al
igual que el heap esta puede crecer o ser reducida automáticamente bajo
demanda. Dependiendo de la implementación de la JVM el GC puede
actuar sobre esta área o compactarla. Esta área 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 métodos. Además contiene la estructura por clase (Propiedades, Firma
de métodos e implementación de métodos). Esta área además contiene dos
espacios llamados Shared-RO and Shared-RW
 Code Cache
- Contiene la memoria usada para el código compilado por el JIT compiler y
almacenado de código 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 decidió eliminar esta área y usar un
nuevo llamado Metaspace. Este cambio se espera para JDK 8.
 Resize automático de esta área
 Algunas cosas se movieron al Heap
 Nuevo flag MaxMetaspaceSize
 Recolección automática al alcanzar el valor definido antes

Ejemplo
 HelloWorld.java
 RuntimeConstantPool.java

¿Qué pasa cuando ejecutamos nuestro programa Java?

Classloaders
 Bootstrap Classloader carga el API básica de Java e inicia el ‘System
Class Loader’.
 El ‘System Classloader’ envía los archivos .class por medio de un stream
binario a la JVM.
 Usando ese stream la JVM obtiene la siguiente información
- Constantes, literales.
- Paquetes, modificadores, variables estáticas.
- Información de atributos.
- Información de métodos.
- Referencias al Classloader y a la Clase.
Esta información es almacenada en el ‘Method Area’.
 Se crea el Thread-Main el cual busca el método main (Recordar
que cada thread tiene su propio Stack).
 El Program Counter va ejecutando el código, usando las distintas
áreas de memoria.

Para recordar acerca de los Classloaders
 Delegation (Delegación): 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 volverá a
cargarla.
 Configurable (Configurable): La mayoría 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 método estático de esa clase por primera vez.
 Inicializadores estáticos
- Inmediatamente después de cargar la clase se ejecutan los inicializadores estáticos
de la clase.
 Creación del objeto
Un objeto es una instancia de una clase, la creación de un objeto tiene tres
partes.
- Declaración
- Instanciación
- Inicialización
 Uso del objeto
 Limpieza (Método Finalize y luego GC)

Ejemplo
 LifeCycle.java

Size of tipos primitivos vs wrappers
Primitive Type Size (Bytes) Wrapper Type Size (Bytes)
char 2Character 16
byte 1Byte 16
short 2Short 16
int 4Integer 16
long 8Long 16
float 4Float 16
double 8Double 16
boolean 1Boolean 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 tamaño base de cualquier objeto es 8 bytes.
- El tamaño total de un objeto siempre es múltiplo 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 máxima 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 máximo aproximado 2GB.
JVM 64 bits: Valor muy superior a la de 32 bits. Aproximadamente (2^48).

Parámetros de memoria

-Xms = Mínimo tamaño del Heap.
-Xmx = Máximo tamaño del Heap.
-XX:NewSize = Tamaño inicial del Eden + Survivor Space.
-XX:MaxNewSize / -Xmn = Máximo tamaño de Young Generation.
-XX:PermSize = Mínimo tamaño del PermGen (Permanent Generation).
-XX:MaxPermSize = Máximo tamaño del PermGen (Permanent Generation).

Parámetros JVM
Parámetro Definicion Ejemplo
-Xms Minimo tamaño del Heap -Xms512M
-Xmx Maximo tamaño del Heap -Xmx512M
-XX:NewSize Tamaño inicial del Eden + Survivor Space -XX:NewSize=128M
-XX:MaxNewSize / -Xmn Máximo tamaño 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 Mínimo tamaño del PermGen (Permanent Generation) -XX:PermSize=64M
-XX:MaxPermSize Máximo tamaño del PermGen (Permanent Generation) -XX:MaxPermSize=128M
-Xss
-XX:ThreadStackSize Tamaño 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 Recolección de basura automática es el proceso de buscar en la
memoria y liberar aquellos objetos que estén 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 todavía 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. Así que la memoria utilizada por un objeto no
referenciado puede ser reclamada.
En un lenguaje de programación como C, asignar y desasignar la memoria
es un proceso manual. En Java, el proceso de cancelar la asignación de
memoria es manejado automáticamente por el recolector de basura.
Garbage Collector

Garbage Collector Behaviour

Línea #6 Línea #8
Línea #11
System.runFinalization(): Le sugiere a la
JVM a ejecutar el método finalize de los
objetos que están en la cola de finalización.
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 área se ejecuta esta recolección. Aquí se usa
un algoritmo de copia.
 Full GC
- Ejecutado en el Tenured Generation, cuando el Old se encuentra lleno se
ejecuta esta recolección o antes de incrementar el espacio de esta área. Aquí
se puede usar el algoritmos MSC(Mark- Sweep- Compact) o CMS (Concurrent
Mark Sweep), este ultimo no compacta los objetos luego de su ejecución lo cual
genera que pedir memoria sea un poco mas complejo. Incluye el PermGen en
su recolección.

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 pequeña donde todos los objetos "reachable" son marcados.
2Concurrent Marking Busca objetos vivos mientras la aplicación se ejecuta en otro hilos.
3
Remark
(Stop the World Event)
Busca los objetos que no fueron encontrados durante la parte 2.
4Concurrent Sweep
Remueve los objetos que son "unreachable", es importante notar que los objetos
"reachable" no son movidos, o sea no hay compactacion.
5Resetting Se prepara para la siguiente ejecución limpiando las estructuras usadas.

Tipos de GC por áreas de memoria

Young Generation:
 "Serial" corre en un solo hilo y es del tipo STW (Stop-the-world).
 "Parallel Scavenge" corre en múltiples 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 múltiples hilos, también es del tipo STW.
 "CMS" corre de forma concurrente la mayor parte del tiempo y tiene
pequeñas 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
configuración, modo cliente o modo servidor.
Estos cambios incluyen:
- Configuración de memoria mínima y máxima para el Heap.
- Selección automática del GC.
- Activa el resize automático para el área Young y Tenured.
- Otras configuraciones adicionales.

Analizando el GC (Parámetros)
Parámetro Definicion
-verbose:gc Imprime informacion por consola del GC
-Xloggc:GCLogs.log
Guarda la misma información que -verbose:gc en un archivo que le indiquemos pero además
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 área o en otra.

Tipos de OOM
 java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread
- OOM en la memoria nativa, esta área 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
aplicación, o almacenando muchos String en la cache de constantes o en servidores de aplicaciones
donde intentamos desplegar la aplicación 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 aplicación 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
información o otra, además en general antes de ejecutar el
volcado un recolección completa es ejecutada (Full GC).

Obteniendo un Heap Dump
 Aplicación Externa
Alguna aplicación externa como VisualVM.
 HeapDumpOnOutOfMemoryError
Cuando la aplicación arroje un OOM se generara un heap dump, usando el HeapDumpPath
configurado.
 Jmap
Tool que viene incorporada en el jdk.
jmap -dump:file=<file-location> <pid>
 Jmap (Desde la aplicación)
Podemos usar los MXBean para ejecutar el jmap desde la aplicación.
 HotSpotDiagnosticMXBean(Usando Reflection)
Usando el DiagnosticMXBean para hacer el dump

Heap Dump (Parámetros JVM)
Parámetro 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, aquí debemos ver que la lista esta
compuesta de lo que esperamos, en general aquí podremos ver cache no liberadas.
 Group By por clase
- Esta opción 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 opción 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 estáticas.
- 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 información de los procesos Java corriendo en nuestra computadora y no
entrega el PID.
 Jmap
- Nos ofrece información de las áreas de memoria del proceso Java indicado y además nos
permite generar Heap Dumps y Histogramas.
 Jhat
- Herramienta de análisis del Heap, es experimental y puede no estar incluida en futuras
versiones.
 Jstat
- Nos brinda información estadística sobre el proceso Java que le indicamos, esta
estadísticas incluyen tiempo del GC, JIT Compiler, Classloaders.
 Jstack
- Ejecuta un Thread Dump o sea un volcado de cada Thread.
 Jinfo
- Brinda información de configuración 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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