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JVM 堆内存总结

程序员文章站 2022-06-06 23:40:39
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JVM的堆内存

JVM 堆内存总结

JVM 堆内存总结

方法区和堆对进程来说是唯一的,一个进程对应一个JVM实例。

堆的核心概述

  • 一个JVM实例只存在一个堆内存,堆也是Java内存管理的核心区域

  • Java堆区在JVM启动时就被创建,其空间大小也就确定了。是JVM管理的最大的一块内存空间。

  • 《JVM虚拟机规范》规定,堆可以处于物理上不连续的内存空间中,但在逻辑上它应该被视为连续的。

  • 所有的线程共享Java堆,在这里还可以划分线程私有的缓冲区(TLAB)

  • 所有的对象实例以及数组都应该在运行时分配在堆上。

  • 数组和对象可能永远不会存储在栈上,因为栈帧中保存引用,这个引用指向对象或者数组在堆中的位置。

  • 在方法结束后,堆中的对象不会马上被移除,仅仅在垃圾收集的时候才会被移除。

  • 堆是GC执行垃圾回收的重点区域。

JVM 堆内存总结
栈中存放对象的引用,堆中存放对象。如果栈中的引用没有了,队中的对象被认为是垃圾。

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JVM 堆内存总结

堆内存细分

JVM 堆内存总结
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jdk1.8中堆内存结构

JVM 堆内存总结

jdk1.7中堆内存结构

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Java堆空间大小的设置

Java堆区用于存储Java对象实例,那么堆的大小在JVM启动时就已经设定好了,也可以通过-Xmx和-Xms来设置。

  • -Xms用于表示堆区(年轻代+老年代,不包括元空间)的起始内存,等价与-XX:InitialHeapSize
  • -Xmx用于表示堆区的最大内存,等价与-XX:MaxHeapSize

开发中建议将初始堆内存和最大堆内存设置成相同的值。

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s0与s1中只有一个区域可以存放数据

如何查看设置的参数

  • 方式一 jps/jstat -gc 进程id
  • -XX:+PrintGCDetails

年轻代和老年代

存储在JVM中的Java对象可以被划分为两类:

  • 一类是声明周期较短的瞬时对象,这类对象的创建和消亡都非常迅速
  • 另外一类对象的生命周期却非常长,在某些极端情况下还能与JVM生命周期保持一致。
  • Java堆区进一步细分的话,可以划分为年轻代和老年代
  • 其中年轻代又可以划分为Eden空间,S0空间和S1空间。

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  • 配置新生代和老年代在堆结构的占比。

    • 默认-XX:NewRatio=2,表示新生代占1,老年代占2,新生代占整个堆的1/3;
    • 可以修改-XX:NewRatio=4,表示新生代占1,老年代占4,新生代占整个堆的1/5
  • 在HotSpot中,Eden空间和另外两个Survivor空间缺省所占的比例是8:1:1。

  • 当开发人员可以通过选项“-XX:SurvivorRatio”调整这个空间比例。

  • 几乎所有的Java对象都是在Eden区被new出来的。

  • 绝大部分的Java对象的销毁都在新生代进行了。

对象分配过程

为新对象分配内存是一件非常严谨和复杂的任务,JVM的设计者们不仅需要考虑内存如何分配、在哪里分配等问题,并且由于内存分配算法与内存回收算法密切相关,所以还需要考虑GC执行完内存回收后是否会在内存空间产生内存碎片。

  1. new的对象先放伊甸园区,此区有大小限制。
  2. 当伊甸园的空间填满时,程序又需要创建对象,JVM的垃圾回收器将伊甸园区进行垃圾回收(Minor GC),将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁。在加载新的对象放到伊甸园区。
  3. 然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存者0区。
  4. 如果再次触发垃圾回收,此时上次幸存下来的放到幸存者0区,如果没有回收,就会放到幸存者1区。
  5. 如果再次经历垃圾回收,此时会重新方悔幸存者0区,接着再去幸存者1区。
  6. 模式经过15次还没有被垃圾回收的对象放置养老区
  7. 可以设置参数-XX:MaxTenuringThreshold=<N>进行设置。

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总结:

  • 针对幸存者s0,s1区的总结:复制之后有交换,谁空谁是to。

  • 关于垃圾回收:频繁再新生区收集,很少再养老区收集,几乎不在永久区/元空间收集。

对象分配的特殊过程

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Minor GC、Major GC与Full GC

JVM在进行GC时,并非每次都对上面三个内存区域一起回收的,大部分时候回收的都是新生带,针对HotSpot VM实现,它里面的GC按照回收区域又分为两大种类型:一种是部分收集(Partial GC),一种是整堆收集(Full GC)。

  • 部分收集:不是完整收集整个Java堆的垃圾收集。其中又分为:
    • 新生代收集(Minor GC/Young GC):只是新生代的垃圾收集
    • 老年代收集(Major GC/Old GC):只是老年代的垃圾收集。
      • 目前,只有CMS GC会有单独收集老年代的行为。
      • 很多时候Major GC会的Full GC混淆使用,需要具体分辨是老年代回收还是整堆回收。
    • 混合收集(Mixed GC):收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集。
      • 目前只有G1 GC会有这种行为
  • 整堆收集(Full GC)收集整个java堆和方法区的垃圾收集。

MinorGC(针对年轻代的GC)

触发机制

  • 当年轻代空间不足时,就会触发MinorGC,这里的年轻代满指的是eden代满,Survivor满不会引发GC。每次MinorGC会清理年轻代的内存
  • 因为Java对象大多都具备朝生熄灭的特性,所以MinorGC非常频繁,一半回收速度也比较快。这一定义即清晰又易于理解。
  • Minor GC会引发STW,暂停其他用户的线程,等垃圾回收结束,用户线程才运行恢复。

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MajorGC(针对老年代的GC)

触发机制

  • 指发生在老年代GC,对象从老年代消失时,我们说“Major GC” 或 “Full GC” 发生了
  • 出现了Major GC 经常会伴随至少一次Minor GC(但非绝对的,在Parallel Scavenge收集器的收集策略里就有直接进行Major GC的策略选择过程)。
  • Major GC的速度一般比Minor GC慢10倍以上,STW的时间更长
  • 如果Major GC后,内存还不足,就报OOM了。
  • Major GC的速度一般比MinorGC慢10倍以上。

Full GC(尽量避免)

触发机制

触发Full GC执行的情况有如下5种:

  • 调用System.gc()时,系统建议执行Full GC,但是不是必然执行
  • 老年代空间不足
  • 方法区空间不足
  • 通过Minor GC后进入老年代的平均大小大于老年代的可用内存
  • 有Eden区,s0,s1复制时,对象大小大于To Space可用内存,则把该对象转存到老年代,且老年代的可用内存小于该对象的大小

堆空间的分代思想

JVM 堆内存总结

内存分配策略

针对不同年龄段的对象分配原则如下所示

  • 优先分配到Eden
  • 大对象直接分配到老年代
    • 尽量避免程序中出现过多的大对象
  • 长期存活的对象分配到老年代
  • 动态对象年龄判断
    • 如果Survivor区中相同年龄的所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半,年龄大于或等于该年龄的对象可以直接进入老年代,无须等待MaxTenuringThreshold中要求的年龄。
  • 空间分配担保
    • -XX:HandlePromotionFailure

大对象直接分配到老年代

public static void main(String[] args){
    byte[] buffer = new byte[1024*1024*20];
}

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TLAB(Thread Local Allocation Buffer)

  • 堆区是线程共享区域,任何线程都可以访问到堆区中的共享数据

  • 由于对象实例的创建在JVM中非常频繁,因此在并发环境下从堆区中划分内存空间是不安全的。

  • 为避免多个线程操作同一地址,需要使用加锁等机制,进而影响分配速度。

什么是TLAB

  • 从内存模型而不是垃圾收集的角度,对Eden区域继续继续划分,JVM为每个线程分配了一个私有缓存区域,它包含在Eden空间内。

  • 多线程同时分配内存时,使用TLAB可以避免一系列的非线程安全问题,同时还能够提升内存分配的吞吐量,因此我们可以将这种内存分配方式称为快速分配策略。

小结

堆是分配内存存储的唯一选择吗

随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟,栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化,所有的对象都分配到堆上也渐渐变得不那么绝对了。

在Java虚拟机中,对象是在Java堆中分配内存的,这是一个普通的常识。但是,有一种特殊情况,那就是如果经过逃逸分析后发现,一个对象并没有逃逸出方法的话,那么就可能倍优化成栈上分配,这样就 无需在堆上分配内存,也无需进行垃圾回收了。这也是最常见的堆外存储技术。

此外,前面提到的基于OpenJDK深度定制TaoBaoVM,其中创新的GCIH技术实现off-heap,将生命周期较长的Java对象从heap中转移至heap外,并且GC不能管理GCIH内部的Java对象,一次达到降低GC的回收频率和提升GC的回收效率的目的。

逃逸分析的基本行为就是分析对象动态作用域:

  • 当一个对象在方法中被定义后,对象只在方法内部使用,则认为没有发生逃逸。
  • 当一个对象在发生中被定义后,它被外部方法所引用,则任务发生逃逸,例如作为调用参数传递到其他地方。
public void my_method(){
    V v = new V();
    v = null;
}

没有发生逃逸对象,则可以分配到栈上,随着方法执行的结束,栈空间被移除。

代码优化

  1. 栈上分配。将堆分配转化为栈分配。如果以得对象在子程序中被分配,要是指向该对象的指针永远不会逃逸,对象可能是栈分配的候选,而不是堆分配。
  2. 同步省略。如果一个对象被发现只能从一个线程被访问到,那么对于这个对象的操作可以不考虑同步。
  3. 分离对象或标量变换。有的对象可能不需要作为一个连续的内存结构存在也可以被访问到,那么对象的部分可以不存储在内存,而是存储在CPU寄存器中
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