JVM运行时数据区--堆

一个进程对应一个jvm实例，一个运行时数据区，又包含多个线程，这些线程共享了方法区和堆，每个线程包含了程序计数器、本地方法栈和虚拟机栈。

核心概述

1.一个jvm实例只存在一个堆内存，堆也是java内存管理的核心区域

2.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（堆内存的大小是可以调节的）

3.《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。

4.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:Thread Local Allocation Buffer）.（面试问题：堆空间一定是所有线程共享的么？不是，TLAB线程在堆中独有的）

5.《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。从实际使用的角度看，“几乎”所有的对象的实例都在这里分配内存 （‘几乎’是因为可能存储在栈上，另见逃逸分析）

6。数组或对象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。

7.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

8.堆，是GC(Garbage Collection，垃圾收集器)执行垃圾回收的重点区域

配置堆内存及查看jvm进程

编写HeapDemo/HeapDemo1代码：

public class HeapDemo {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("start...");
        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("end...");
    }
}

首先对虚拟机进行配置，如图 Run-Edit configurations：

在jdk目录，jdk1.8.0_171.jdk/Contents/Home/bin下找到jvisualvm 运行（或者直接终端运行jvisualvm），查看进程，可以看到我们设置的配置信息：

 可以看到HeapDemo配置-Xms10m， 分配的10m被分配给了新生代3m和老年代7m：

 分析SimpleHeap的jvm情况

public class SimpleHeap {
    private int id;//属性、成员变量

    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);

        int[] arr = new int[10];

        Object[] arr1 = new Object[10];
    }
}

堆的细分内存结构

JDK 7以前： 逻辑上分为新生区+养老区+永久区（即Xms/Xmx分配的内存物理上没有涉及永久区）

• Young Generation Space：又被分为Eden区和Survior区
  
• Tenure generation Space： ==Old/Tenure==
• Permanent Space： ==Perm==

 

JDK 8以后： 逻辑上分为新生区+养老区+元空间（即Xms/Xmx分配的内存物理上没有涉及元空间）

• Young Generation Space：又被分为Eden区和Survior区 
• Tenure generation Space： ==Old/Tenure==
• Meta Space： ==Meta==

设置堆内存大小与OOM

1.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 "-Xmx"和 "-Xms"来进行设置

• -Xms 用来设置堆空间（年轻代+老年代）的初始内存大小，等价于 -XX:InitialHeapSize
  • -X 是jvm的运行参数
  • ms 是memory start
• -Xmx 用于设置堆的最大内存，等价于 -XX:MaxHeapSize

2.一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OOM异常。

• 默认情况下，初始内存大小：物理内存大小/64;最大内存大小：物理内存大小/4。
• 手动设置：-Xms600m -Xmx600m

3.通常会将-Xms和-Xmx两个参数配置相同的值，其目的就是为了能够在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。

• 比如说：默认空余堆内存小于40%时，JVM就会增大堆直到-Xmx的最大限制；空余堆内存大于70%时，JVM会减少堆直到 -Xms的最小限制。
  因此服务器一般设置-Xms、-Xmx相等以避免在每次GC 后调整堆的大小

4.查看设置的堆内存参数：

• 方式一： 终端输入jps ， 然后jstat -gc 进程id。
• 方式二：（控制台打印）Edit Configurations->VM Options 添加 -XX:+PrintGCDetails

查看堆内存大小测试代码

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");//-Xms : 245M
        System.out.println("-Xmx : " + maxMemory + "M");//-Xmx : 3641M

        System.out.println("系统内存大小为：" + initialMemory * 64.0 / 1024 + "G");//系统内存大小为：15.3125G
        System.out.println("系统内存大小为：" + maxMemory * 4.0 / 1024 + "G");//系统内存大小为：14.22265625G

        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

堆大小分析

设置堆大小为600m，打印出的结果为575m，这是因为幸存者区S0和S1各占据了25m，但是他们始终有一个是空的，存放对象的是伊甸园区和一个幸存者区。

 

OOM示例

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space。代码示例：

/**
 * -Xms600m -Xmx600m
 */
public class OOMTest {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList list = new ArrayList<>();
        while(true){
            try {
                Thread.sleep(20);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            list.add(new Picture(new Random().nextInt(1024 * 1024)));
        }
    }
}

class Picture{
    private byte[] pixels;

    public Picture(int length) {
        this.pixels = new byte[length];
    }
}

年轻代与老年代

1.存储在JVM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
• 另外一类对象时生命周期非常长，在某些情况下还能与JVM的生命周期保持一致

2.Java堆区进一步细分可以分为年轻代（YoungGen）和老年代（OldGen）。其中年轻代可以分为Eden空间、Survivor0空间和Survivor1空间（有时也叫frmo区，to区）

3.配置新生代与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

4.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（测试的时候是6：1：1），开发人员可以通过选项 -XX:SurvivorRatio 调整空间比例，如-XX:SurvivorRatio=8

5.几乎所有的Java对象都是在Eden区被new出来的

6.绝大部分的Java对象都销毁在新生代了（IBM公司的专门研究表明，新生代80%的对象都是“朝生夕死”的）

7.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好了）

测试代码：

/**
 * -Xms600m -Xmx600m
 *
 * -XX:NewRatio ： 设置新生代与老年代的比例。默认值是2.
 * -XX:SurvivorRatio ：设置新生代中Eden区与Survivor区的比例。默认值是8
 * -XX:-UseAdaptiveSizePolicy ：关闭自适应的内存分配策略 '-'关闭,'+'打开  （暂时用不到）
 * -Xmn:设置新生代的空间的大小。 （一般不设置）
 *
 */
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();
        }
    }
}

图解对象分配的一般过程

为新对象分配内存是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、在哪里分配的问题，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的垃圾回收器将对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。再加载新的对象放到伊甸园区

3.然后将伊甸园中的剩余的幸存对象移动到幸存者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区的，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，此时会重新放回幸存者0区，接着再去幸存者1区。

6.啥时候能去养老区呢？可以设置次数。默认是15次。·可以设置参数：-XX:MaxTenuringThreshold=进行设置。

7.在养老区，相对悠闲。当老年区内存不足时，再次触发GC：Major GC，进行养老区的内存清理。

8.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。

总结：针对幸存者s0,s1区：复制之后有交换，谁空谁是to。
           关于垃圾回收：频繁在新生区收集，很少在养老区收集，几乎不再永久区/元空间收集。

注意：只有伊甸园满了才会触minorGC/youngGC,而幸存者区满了是绝对不会触发minorGC的。

对象分配的特殊情况

 

 代码举例：

public class HeapInstanceTest {
    byte[] buffer = new byte[new Random().nextInt(1024 * 200)];

    public static void main(String[] args) {
        ArrayList list = new ArrayList();
        while (true) {
            list.add(new HeapInstanceTest());
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

对应堆空间分配过程：

常用调优工具

1.JDK命令行

2.Eclipse：Memory Analyzer Tool

3.Jconsole

4.VisualVM

5.Jprofiler

6.Java Flight Recorder

7.GCViewer

8.GC Easy

Minor GC、Major GC、Full GC

JVM在进行GC时，并非每次都针对上面三个内存区域（新生代、老年代、方法区）一起回收的，大部分时候回收都是指新生代。

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）

1.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。
  • 混合收集不涉及方法区回收，只是新生代，老年代的混合收集。
  • 目前，之后G1 GC会有这种行为。

2.整堆收集（Full GC）：收集整个java堆和方法区的垃圾收集。

不同GC的触发机制

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代满，Survivor满不会引发GC.(每次Minor GC会清理年轻代的内存，Survivor是被动GC，不会主动GC)
• 因为Java队形大多都具备朝生夕灭的特性，所以Monor GC 非常频繁，一般回收速度也比较快，这一定义既清晰又利于理解。
• Minor GC 会引发STW（Stop the World），暂停其他用户的线程，等垃圾回收结束，用户线程才恢复运行。

老年代GC(Major GC/Full GC)触发机制

• 指发生在老年代的GC,对象从老年代消失时，Major GC 或者 Full GC 发生了。
• 出现了Major GC，经常会伴随至少一次的Minor GC（不是绝对的，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）
  • 也就是老年代空间不足时，会先尝试触发Minor GC。如果之后空间还不足，则触发Major GC
• Major GC速度一般会比Minor GC慢10倍以上，STW时间更长
• 如果Major GC后，内存还不足，就报OOM了

Full GC触发机制

• 触发Full GC执行的情况有以下五种
  • 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 S0（from）区向S1（to）区复制时，对象大小由于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
• 说明：Full GC 是开发或调优中尽量要避免的，这样暂停时间会短一些

堆空间分代思想

为什么要把Java堆分代？不分代就不能正常工作了么

• 经研究，不同对象的生命周期不同。70%-99%的对象都是临时对象。
  • 新生代：有Eden、Survivor构成（s0,s1 又称为from to），to总为空
  • 老年代：存放新生代中经历多次依然存活的对象
• 其实不分代完全可以，分代的唯一理由就是优化GC性能。如果没有分代，那所有的对象都在一块，就如同把一个学校的人都关在一个教室。GC的时候要找到哪些对象没用，这样就会对堆的所有区域进行扫描，而很多对象都是朝生夕死的，如果分代的话，把新创建的对象放到某一地方，当GC的时候先把这块存储“朝生夕死”对象的区域进行回收，这样就会腾出很大的空间出来。

内存分配策略总结

• 如果对象在Eden出生并经过第一次Minor GC后依然存活，并且能被Survivor容纳的话，将被移动到Survivor空间中，把那个将对象年龄设为1.对象在Survivor区中每熬过一次MinorGC，年龄就增加一岁，当它的年龄增加到一定程度（默认15岁，其实每个JVM、每个GC都有所不同）时，就会被晋升到老年代中
  • 对象晋升老年代的年龄阈值，可以通过选项 -XX：MaxTenuringThreshold来设置
• 针对不同年龄段的对象分配原则如下：
  • 优先分配到Eden
  • 大对象直接分配到老年代
    • 我们要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到老年代。无需等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄

大对象直接进入老年代举例

分配60m堆空间，新生代 20m ，Eden 16m， s0 2m， s1 2m，buffer对象20m，Eden 区无法存放buffer， 直接晋升老年代。

/** 测试：大对象直接进入老年代
 * -Xms60m -Xmx60m -XX:NewRatio=2 -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+PrintGCDetails
 */
public class YoungOldAreaTest {
    // 新生代 20m ，Eden 16m， s0 2m， s1 2m
    // 老年代 40m
    public static void main(String[] args) {
        //Eden 区无法存放buffer  晋升老年代
        byte[] buffer = new byte[1024 * 1024 * 20];//20m
    }
}

日志输出：

空间分配担保机制

简单解释一下为什么会出现这种情况： 因为给 allocation2 分配内存的时候 eden 区内存几乎已经被分配完了，我们刚刚讲了当 Eden 区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次 Minor GC.GC 期间虚拟机又发现 allocation1 无法存入 Survivor 空间，所以只好通过 分配担保机制：把新生代的对象提前转移到老年代中去，老年代上的空间足够存放 allocation1，所以不会出现 Full GC。执行 Minor GC 后，后面分配的对象如果能够存在 eden 区的话，还是会在 eden 区分配内存。可以执行如下代码验证：

public class GCTest {

    public static void main(String[] args) {
        byte[] allocation1, allocation2,allocation3,allocation4,allocation5;
        allocation1 = new byte[32000*1024];
        allocation2 = new byte[1000*1024];
        allocation3 = new byte[1000*1024];
        allocation4 = new byte[1000*1024];
        allocation5 = new byte[1000*1024];
    }
}

 

新概念：TLAB（堆当中的线程私有缓存区域）

为什么有TLAB（Thread Local Allocation Buffer）

• 众所周知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线程不安全的。
• 一般为了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。
• 为了解决这一问题，TLAB应运而生。

什么是TLAB

• 从内存模型而不是垃圾收集的角度，对Eden区域继续进行划分，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之为快速分配策略
• 所有OpenJDK衍生出来的JVM都提供了TLAB的设计

 

 

TLAB说明

• 尽管不是所有的对象实例都能够在TLAB中成功分配内存，单JV明确是是将TLAB作为内存分配的首选
• 在程序中，开发人员可以通过选项“-XX:UseTLAB“ 设置是够开启TLAB空间
• 默认情况下，TLAB空间的内存非常小，仅占有整个EDen空间的1%，当然我们可以通过选项 ”-XX:TLABWasteTargetPercent“ 设置TLAB空间所占用Eden空间的百分比大小
• 一旦对象在TLAB空间分配内存失败时，JVM就会尝试着通过使用加锁机制确保数据操作的原子性，从而直接在Eden空间中分配了内存

代码演示

• 运行程序后，终端输入jps查看TLABArgsTest进程id
• jinfo -flag UseTLAB 64566（进程id），输出-XX:+UseTLAB，证明TLAB默认是开启的

/**
 * 测试-XX:UseTLAB参数是否开启的情况:默认情况是开启的
 */
public class TLABArgsTest {
    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();
        }
    }
}

TLAB对象分配过程

 

堆空间的参数设置

• -XX:PrintFlagsInitial: 查看所有参数的默认初始值
• -XX:PrintFlagsFinal：查看所有的参数的最终值（可能会存在修改，不再是初始值）
  • 具体查看某个参数的指令：
    • jps：查看当前运行中的进程
    • jinfo -flag SurvivorRatio 进程id： 查看新生代中Eden和S0/S1空间的比例
• -Xms: 初始堆空间内存（默认为物理内存的1/64）
• -Xmx: 最大堆空间内存（默认为物理内存的1/4）
• -Xmn: 设置新生代大小（初始值及最大值）
• -XX:NewRatio: 配置新生代与老年代在堆结构的占比
• -XX:SurvivorRatio：设置新生代中Eden和S0/S1空间的比例
• -XX:MaxTenuringThreshold：设置新生代垃圾的最大年龄(默认15)
• -XX:+PrintGCDetails：输出详细的GC处理日志
  • 打印gc简要信息：① -XX:+PrintGC ② -verbose:gc
• -XX:HandlePromotionFailure：是否设置空间分配担保

HandlePromotionFailure参数说明

在发生Minor Gc之前，虚拟机会检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象的总空间。

• 如果大于，则此次Minor GC是安全的
• 如果小于，则虚拟机会查看-XX:HandlePromotionFailure设置值是否允许担保失败。（==JDK 7以后的规则HandlePromotionFailure可以认为就是true==）
  • 如果HandlePromotionFailure=true,那么会继续检查老年代最大可用连续空间是否大于历次晋升到老年代的对象的平均大小。
    • √如果大于，则尝试进行一次Minor GC,只是尝试看能否触发分配担保（我们肯定希望的是分配担保成功Eden-->old/tentired），但这次Minor GC依然是有风险的；
    • √如果小于，则改为进行一次Full GC。
  • √如果HandlePromotionFailure=false,则改为进行一次Full GC。

注意：在JDK6 Update24之后（JDK7），HandlePromotionFailure参数不会再影响到虚拟机的空间分配担保策略，观察openJDK中的源码变化，虽然源码中还定义了HandlePromotionFailure参数，但是在代码中已经不会再使用它。

JDK6 Update24之后的规则变为：只要老年代的连续空间大于新生代对象总大小或者历次晋升的平均大小就会进行Minor GC,否则将进行Full GC。