JVM 堆内存总结

JVM的堆内存

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。

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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堆内存细分

jdk1.8中堆内存结构

jdk1.7中堆内存结构

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。

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。

• 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。

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

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。

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

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];
}

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