内存分配策略

前言

在开始介绍内存分配策略之前，先啰嗦一下gc日志相关内容，要知道会读gc日志是处理java虚拟机内存问题的一项基本技能。接下来以一段gc日志为例，详细介绍下日志相关内容：

[GC (Allocation Failure) --[PSYoungGen: 8192K->8192K(9216K)] 12288K->16392K(19456K), 0.0038111 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 8192K->2731K(9216K)] [ParOldGen: 8200K->8193K(10240K)] 16392K->10924K(19456K), [Metaspace: 3334K->3334K(1056768K)], 0.0056151 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.01 secs] 

注：其实gc日志的格式是跟垃圾收集器有关的，不同的收集器，它们的格式可能都是不一样的，但是JVM的设计者为了方便程序员们阅读，将各个收集器的日志做了格式统一。

1. gc日志开头的[GC和[Full GC代表这次垃圾收集的类型，需要注意的是，它并不是用来区分是新生代的gc还是老年代gc的，如果是Full GC，只能说明这次gc是发生了STW（Stop-The-World）的；

2. 接下来会看到[PSYoungGen，[ParOldGen，[Metaspace表示gc发生的区域，当然这里的区域名与垃圾收集器是相关的：

   • 如果是Serial收集器，那么新生代名称为Default New Generation，gc日志显示[DefNew；
   • 如果是ParNew收集器，新生代的名称变成Parallel New Gneration，gc日志显示[ParNew；
   • 如果是Parallel Scavenge收集器，gc日志则显示[PSYoungGen

3. 区域名称后紧跟着8192K->8192K(9216K)，它的意思是在gc前该内存区域已使用的量 -> gc后该内存区域的使用量（该内存区域总容量）。在方括号后面紧跟着12288K->16392K(19456K)，它表示gc heap已使用的量 -> gc后heap的使用量（heap的总容量）。

4. 在各个区域的gc相关内存变化之后，会给出该内存区域gc所用时间，有的收集器会给出具体的gc耗时时间数据，比如[Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.01 secs]，可以看到，该时间数据包括3个时间：

   • user：用户态消耗的cpu时间；
   • sys：内核态消耗的cpu时间；
   • real：操作从开始到结束所经过的实际时间

注：需要注意的是，real时间包括各种非运算的等待耗时，比如等待磁盘I/O，但是cpu时间是不包括这些耗时的。可能熟悉gc日志的同学可能会问，既然real的时间包括等待时间，user和sys不包括等待时间，那为什么好多时候user或者sys的时间会超过real呢？我们现在绝大多数服务器都是多cpu或者多核的，当多个线程操作时，user和sys会叠加这些cpu时间，所以看到user或者sys的时间超过real是很正常的。

啰里吧嗦介绍完gc日志后，接下来我们就可以进入正题，看一下JVM对象内存的分配策略。

内存分配策略

对象内存的分配，简单点儿说，就是在heap上分配内存（JIT编译可能间接在栈上分配），对象首先会在Eden区分配，当然，如果启动了本地线程分配缓存，则优先在线程的TLAB上分配，同时，也会有少数情况会在old区分配，具体的分配细节跟垃圾收集器以及JVM内存相关参数相关。接下来就根据实例具体分析一下相关分配策略。

1. 对象首先在Eden区分配

在大多数情况下，对象都优先在eden区分配内存，当eden区内存空间不够时，JVM会发起一次Monitor GC（对young区的gc）

案例1

在案例1中，通过JVM参数 -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M限制了heap的大小为20M并且不可扩展，young区的大小为10M，剩下的10M给old区，在main方法中，创建byte1到btye4四个对象，一共10M，我们看一下会发生什么？

案例1.gc日志

从gc日志可以看出：

1. 在分配bytes1到bytes3后，eden区没有额外的空间，再创建bytes4的时候，此时eden区内存不够，触发Minitor GC，本次gc结束后，yong区的6441k变成872k，但是由于bytes1到bytes3对象都是存活的，所以总得内存量其实并没有减少；

2. 在发生Monitor GC的过程中，由于Survivor空间只有1M，不足以放下bytes1到bytes3的任何一个对象，此时，通过分配担保机制，会提前进入old区；

3. 这次GC结束后，bytes4被顺利分配在eden区，此时，eden区占用6M，Survivor空闲，old区被占用4M。

2. 大对象直接进入老年代

注：大对象定义：所谓的大对象，其实就是指需要大量的连续内存空间的对象，比如长度很长的数组。

对于JVM来说，需要分配大对象是一个坏消息，如果程序中经常出现大对象就容易导致gc的提前触发。当然，JVM提供参数-XX:PretenureSizeThreshold，一旦对象所需内存大小大于该参数配置的阈值，直接在old区为其分配内存空间。当然，这样做的目的一则是为了避免gc提前出发，二则是为了避免在eden区和Survivor区发生大量的内存拷贝。接下来还是以一个简单的例子验证该规则。

案例2

在案例2中，通过参数 -XX:PretenureSizeThreshold=4194304设置阈值为4M，一旦待分配对象大小超过4M，直接在old区进行内存分配。在main方法中，要创建一个大小为5M的byte数组，我们来看下gc日志，看看这个对象是不是直接在old区分配内存的。

案例2.gc日志

从gc日志标红的地方可以看出，byte4确实直接被放在了old区。

注：需要注意的是，-XX:PretenureSizeThreshold只对ParNew和Serial垃圾收集器有效，如果你需要使用该参数的话，可以使用ParNew + CMS。

3. 长期存活的对象将进入老年代

JVM采用分代收集来管理内存，为了在gc的时候能够确认哪些对象要放在young区，哪些对象放在old区，JVM为给每一个对象都定义了一个年龄计数器，如果对象在eden区被分配内存并且经过第一次Monitor GC后还存活，此时该对象会被移动到Survivor区，对象的年龄被设置成为1，该对象在Survivor区中每经过一次Monitor GC还不被回收，年龄就加1，当它的年龄增加达到一定的值时（默认值是15），对象就会被晋升到old区。当然，JVM提供参数-XX:MaxTenuringThreshold来设置对象晋升到old区的年龄阈值。

案例3

在案例3中，通过 -XX:MaxTenuringThreshold=1设置对象晋升到old区的年龄阈值为1，那么，gc结束后，bytes1和bytes2均会进入old区，我们看一下gc日志看看是不是这样。

案例3.gc日志

从gc日志可以看出，经过两次Monitor GC，bytes1和bytes2均进入old区，bytes3在eden区。

4. 动态年龄判定

虽然JVM要求对象年龄必须要达到-XX:MaxTenuringThreshold设置的阈值才能晋升到old区，但是，为了更好的适应不同的内存使用情况，JVM增加了一个新的晋升到old区的条件：如果在Survivor区中相同年龄的对象所占内存空间大于Survivor区的一半，不小于该年龄的对象可以直接进入old区，不需要达到-XX:MaxTenuringThreshold设置的阈值。

案例4

gc日志：

案例4.gc日志

从gc日志可以看出，经过两次Monitor GC，由于bytes1所占用内存空间大于Survivor区的一半，bytes1和bytes2均进入old区。

5. 空间分配担保

在发生Monitor GC之前，JVM会检查old区的最大可用连续空间是否大于young区所有对象总空间，如果条件成立，那么Monitor GC一定是安全的，进行一次Monitor GC，如果不成立：

• 在jdk6 update 24之前JVM则会读取参数-XX:-HandlePromotionFailure值判断是否允许担保失败，如果允许，检查old区的最大可用连续空间是否大于晋升到old区对象的平均大小，如果大于，再进行一次Monitor GC，如果小于或者不允许担保失败，则进行一次Full GC；

• 在jdk6 update 24之后，虽然JVM还定义参数-XX:-HandlePromotionFailure，但是已经不会再使用它，规则变为只要old区最大可用连续空间大于晋升到old区的对象的平均大小，就进行一次Monitor GC，否则，进行一次Full GC，JVM源码也可以验证此规则：
  

  

  JVM源码

看到这里大家估计还是有点懵，还是不理解为什么要空间分配担保，接下来就解释下为什么需要空间分配担保。

为什么需要空间分配担保？

注：空间分配担保其实就是JVM确认old区是否可以容纳Monitor GC后晋升到old区的对象们。

由于young区的gc算法是复制收集算法，为了内存的使用率，JVM只使用其中的一个Survivor取作为中间转换空间，当出现大量对象在Monitor GC后还存活的，此时，Survivor区无法容纳的对象直接进入old区，在进入old区之前JVM一定要确认old区是否有足够的剩余空间可以容纳这些对象。由于在回收之前并不知道有多少对象要进入old区，JVM设计者认为可以取每一次Monitor GC晋升到old区的对象容量的平均大小为经验值，将该经验值与old区剩余空间比较，来决定是否要进行一次Full GC让old区释放出更多的空间。但是，取平均值毕竟是一种动态概率手段，如果某一次Monitor GC后存活对象陡增，远远高于平均值，此时还是会担保失败，一旦出现担保失败，JVM会发起一次Full GC。