JVM学习（九）：堆

一、堆（Heap）的概述

        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启动的时候即被创建，其空间大小也就确定了。是JVM管理的最大一块内存空间。同时，堆内存的大小是可以调节的。《Java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，但在堆里还可以划分线程私有的缓冲区 （ Thread Local Allocation Buffer, TLAB)

        《Java虚拟机规范》中对Java堆的描述是：所有的对象实例以及数组都应当在运行时分配在堆上(The heap is the run-time data area from which memory for all class instances and arrays is allocated )。其实从实际使用角度看，“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。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。

        为了说明对象与栈和堆的关系，我们用一段代码：

public class SimpleHeap {//属性、成员变量private int id;public SimpleHeap(int id) {this.id = id;}public void show() {System.out.println("My ID is " + id);}public static void main(String[] args) {SimpleHeap sl = new SimpleHeap(1);SimpleHeap s2 = new SimpleHeap(2);}
}

        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（因为垃圾收集的时候才会去扫描垃圾）。堆是GC ( Garbage Collection，垃圾收集器）执行垃圾回收的重点区域。

二、堆内存 

2.1 内存细分 

        现代垃圾收集器大部分都基于分代收集理论设计，堆空间细分为：

        Java 7及之前堆内存逻辑上分为三部分：新生区+养老区+永久区

• Young Generation Space        新生区        Young/New        又被划分为Eden区和survivor区
• Tenure generation space        养老区         Old/ Tenure
• Permanent Space                   永久区         Perm

        Java 8及之后堆内存逻辑上分为三部分：新生区+养老区+元空间

• Young Generation Space        新生区        Young/New        又被划分为Eden区和Survivor区
• Tenure generation space        养老区         Old/Tenure
• Meta Space                             元空间         Meta

2.2 常用的相关JVM参数 

2.2.1 堆空间大小设置 

        Java堆区用于存储Java对象实例，堆的大小在JVM启动时就已经设定好了，可以通过选项"-Xmx"和"-Xms"来进行设置。

• -Xms用于表示堆区的起始内存，等价于-XX:InitialHeapSize
• -Xmx则用于表示堆区的最大内存，等价于-XX:MaxHeapSize

        一旦堆区中的内存大小超过“-Xmx"所指定的最大内存时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

        通常会将 -Xms 和 -Xmx 两个参数配置相同的值，其目的是为了能够在java垃圾回收机制清理完堆区后不需要重新分隔计算堆区的大小，从而提高性能。

        默认情况下，初始内存大小 = 物理电脑内存大小 / 64；最大内存大小 = 物理电脑内存大小 / 4

        下面来实践一下，写一段代码看看堆内存大小： 

public class HeapSpaceInitial {public static void main(String[] args) {//返回Java虚拟机中的堆内存总量long initialMemory = Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024 / 1024;//返回Java虚拟机试图使用的最大堆内存量long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory() / 1024 / 1024;System.out.println("-Xms : " + initialMemory + "M");System.out.println("-Xmx : " + maxMemory + "M");System.out.println("系统内存大小为：" + initialMemory * 64.0 / 1024 + "G");System.out.println("系统内存大小为：" + maxMemory * 4.0 / 1024 + "G");
}

        运行结果：

-Xms : 15M
-Xmx : 247M
系统内存大小为：0.9375G
系统内存大小为：0.96484375G

         修改一下：

-Xms : 580M
-Xmx : 580M
系统内存大小为：36.25G
系统内存大小为：2.265625G

2.2.2 老年代和新生代比例设置

        存储在VM中的Java对象可以被划分为两类：一类是生命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，在某些极端的情况下还能够与JVM的生命周期保持一致。

        Java堆区进一步细分的话，可以划分为年轻代(YoungGen）和老年代（OldGen)。其中年轻代又可以划分为 Eden 空间、Survivor0 空间和 Survivor1空间(有时也叫做from区、to区)。

        配置新生代与老年代在堆结构的占比使用 -XX:NewRatio

        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。

2.2.3 年轻代内的比例设置

        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，开发人员可以通过选项 -XX:SurvivorRatio 调整这个空间比例。比如-XX:SurvivorRatio=8。

        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。IBM公司的专门研究表明，新生代中80% 的对象都是“朝生夕死”的。

        可以使用选项"-Xmn"设置新生代最大内存大小。这个参数一般使用默认值就可以了。

2.2.4 利用VisualVM直观查看

         我们可以直观地看一下这些比例。随便运行一段不结束的程序：

public class EdenSurvivorTest {public static void main(String[] args) {System.out.println("我只是来打个酱油~");try {Thread.sleep(1000000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}
}

         我们设置堆的大小为600M：

        打开visualVM：

 

         我们将堆区设置为600M，默认-XX:NewRatio=2，新生代占1/3，即200M；老年代占2/3，即400M。默认-XX:SurvivorRatio=8，Eden区占8/10，即160M，两个Survivor区各占1/10，即20M。

 2.2.5 关闭自适应的内存分配策略

        JVM默认是开启自适应内存分配策略的，也就是说，新生代的8：1：1 并不会被严格遵守，而是会由虚拟机动态地调整。我们可以使用 -XX:-UseAdaptiveSizePolicy 来关闭自适应的内存分配策略。

三、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中等生内存碎片。

3.1 对象分配的一般过程 

        下面我们来看看对象分配的过程： 

        new的对象先放伊甸园区。此区有大小限制，当伊甸园的空间填满时，程序又需要创建对象，此时JVM的垃圾回收器将对伊甸园区进行对象进行垃圾回收(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，然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存者0区。幸存者区中会有年龄计数器，每活过一次GC，年龄就会+1。

         如果再次触发垃圾回收，伊甸园区幸存的对象和幸存者0区中依然没有被回收的对象，就会放到幸存者1区。

 

         如果再次经历垃圾回收，此时会重新放回幸存者0区，接着再去幸存者1区。当幸存者区中的对象超过15岁时，就会被分配到老年区。进入老年代的年龄是可以设置的，设置参数: 

-XX:MaxTenuringThreshold=<N> 。

        在养老区，相对悠闲。当养老区内存不足时，再次触发GC（Major GC），进行养老区的内
存清理。

        若养老区执行了Major GC之后发现依然无法进行对象的保存，就会产生OOM异常。

3.2 对象分配的全过程        

 

        这里要注意的是，当new出特别大的对象（Eden放不下）时，首先要进行一次YGC，还是放不下，就直接放到老年代了；如果Servivor区满了，而Eden区没满，此时不会触发YGC。多余的对象会直接放到老年代。 

        GC频繁在新生区收集，很少在养老区收集，几乎不在永久区/元空间收集。  

四、Young GC、Major GC和 Full GC

4.1 概念区分 

        JVM在进行GC时，并非每次都对三个内存(新生代、老年代;方法区)区域一起回收，大部分时候回收的都是新生代。

        针对HotSpot VM的实现，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。

                        注意，很多时候Major GC会和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

4.2 年轻代Gc(Minor GC)触发机制

        当年轻代空间不足时，就会触发Minor GC，这里的年轻代满指的是Eden满，Survivor满不会引发GC。

        因为Java对象大多都具备朝生夕灭的特性，所以 Minor GC非常频繁，一般回收速度也比较快。Minor GC会引发STW，暂停其它用户的线程，等垃圾回收结束，用户线程才恢复运行。

4.3 老年代GC (Major GC/Full GC）触发机制

        出现Major GC，经常会伴随至少一次的Minor GC（但非绝对的)，也就是在老年代空间不足时，会先尝试触发Minor GC。如果之后空间还不足，则触发Major GC。Major GC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上，STW的时间更长。如果Major GC后，内存还不足，就出现OOM。

        触发Full GC执行的情况有如下五种：
(1）调用System.gc()时，系统建议执行Full GC，但是不必然执行

(2）老年代空间不足

(3）方法区空间不足

(4）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

(5）由Eden区、survivor space0 (From Space)区向survivor space1 (ToSpace)区复制时，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大小

        总结起来就一点：老年代或方法区空间不够用了。