jvm堆空间

概述

在JVM中的位置如下：

1. 堆空间对进程来说是唯一的，线程是共享的，一个进程对应一个JVM实例。
2. 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。
3. 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。
  可以使用-Xms -Xmx来配置堆内存的大小
  
  通过idea设置堆内存大小
  
  可以使用jvisualvm来查看虚拟机内存，jdk自带的查看工具。
  
  打开监控工具可以看到刚才配置的-Xms10m -Xmx10m的参数
  
  使用visual GC查看对内存，没有可以检查更新插件，并下载安装。
  可以看到总共加起来是10M.
  

4. 《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。
5. 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（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。

• 共享的堆并发性较差，所以有了TLAB，在堆上在为每一个线程分配一个私有的内存，为了提供并发性。
  

6. 《Java虚拟机规范》中对Java堆的描述是：所以的对象实例以及数组都应该在运行时分配在堆上。

• 从实际的使用角度看：“几乎”所有的对象实例都在堆上分配，没有逃逸的对象也有可能在栈上分配。

7. 数组和对象可能永远不会存储在栈上，因为栈帧保存引用，这个引用指向对象或数组在堆中的位置。

• 举例说明：
  
  

8. 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移除。
9. 堆是GC(Garbage Collection，垃圾收集器）执行垃圾回收的重点区域。

内存细分

现代垃圾收集器大部分基于分代收集理论设计，堆空间细分为：

1. java7及之前堆内存分为三部分：新生区+养老区+永久区

• Yong Generation Space 新生去又分别Eden去和Survivor区
• Tenure Generation Space 养老区
• Permannet Space 永久区
  通常堆空间不考虑永久代，永久代通常是方法区

2. Java8及之后堆内存划分为三部分：新生区+养老区+元空间
   • Yong Generation Space 新生去又分别Eden去和Survivor区
   • Tenure Generation Space 养老区
   • Meta Space 元空间
     
     可以使用-XX:+PrintGCDetails 参数打印堆内存详情
     

堆空间大小的设置

1. 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，打击可以通过选项 -Xms和-Xmx来设置。

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

2. 一旦堆区的内存大小超过 -Xmx所指定的最大内存时，将会抛出OutOfMemoryError异常。
3. 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。
   java获取运行时堆空间内存大小：
   
4. 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.

• 可以通过jstat -gc pid查看jvm内存信息
  
• 可以使用-XX:PrintGCDetails打印出堆内存分配信息
  

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：

• 一来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的声明周期保存一致。

2. java堆区进一步细分的话，可以划分为年轻代（youngGen）和老年代（oldGen）
3. 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）
   
4. 配置新生代与老年代的堆结构的占比

• 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:NewRation=4，表示新生代占1，老年代占4，新生代占整个堆的1/5
  

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
   • 通常新生代会自适应内存配置不会是8:1:1，需要手动指定 -XX:SurviorRatio=8，才会是8:1:1
6. 当然开发人员可以通过选项-XX:SurvivorRation调整这个空间比例。比如-XX:SurviorRatio=8
7. 几乎所有的Java对象都是eden去被new出来的。
8. 绝大部分的java对象的销毁都是在新生代进行的。
   • 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。
9. 可以使用-Xmn设置新手代最大内存大小
   • 这个参数一般使用默认值就可以了

对象的分配过程

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，所有还需要考虑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的对象先放在伊甸园区，此区大小有限制。
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. 啥时候能进养老区呢？可以设置此时，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。
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。
   java.lang.OutOfMemoryError:Java heap space

图解对象的分配过程

总结

1. 针对幸存者S0,S1区的总结：复制之后又交换，谁空谁是to。
2. 关于垃圾回收：频繁在新生区收集，很少在养老区收集，几乎不在永久区/元空间收集。
3. 对象内存分配逻辑梳理
   

常用调优工具

Minor GC、Major GC 与Full GC

JVM在进行GC时，并非每次都对上面3个内存区域（新生代、老年代、方法区（永久区或者元空间））一起回收的，大部分回收的都是指新生代。
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
     1. 目前，只有CMS GC会单独收集老年代的行为。
     2. 注意，很多时候Major GC会和Full GC混合使用，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。
2. 整堆收集（Full GC）：收集整个java堆和方法区的垃圾收集。
3. 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区满，Survivor满不会触发GC。（每次minor GC会清理年轻代的内存）。
   • 因为java对象大多都是朝生夕死的特性，所以Minor GC非常频繁，一般回收速度也必将快。
   • Minor GC会引发STW，暂停其他用户的线程，等垃圾回收结束，用户线程才恢复运行。
4. 老年代（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，我们说Major GC或Full GC发生了。
   • 出现Major GC，经常会伴随至少一次的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）。
     也就是在老年代空间不足时，会先尝试触发minor GC.如果只会空间还不足，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，内存还是不足，就报OOM了。
5. Full GC触发机制：
   • 调用System.gc()时，系统建议执行Full GC，但是不必然执行
   • 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。
   • 由Eden区、survivor space0（from space）区向survior space1(to space)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。
     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。

内存分配策略

概述

如果对象在Eden出生并经过第一次MinorGC后仍然存活，并且能被Survivor容纳的话，将被移动到Survivor空间中，并将对象年龄设为1。对象在Survivor区中每熬过异常MinorGC，年龄就增加1岁，当它的年龄增加到一定程度（默认是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。
对象晋升到老年代的阈值，可以通过选项-XX:MaxTenuringThread来设置。

分配规则

1. 优先分配到Eden区
2. 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。
3. 长期存活的对象分配到老年代(经过多次MinorGC后，超过MaxTenuringThread晋升到老年代)
4. 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，年龄大于或者等于该年龄的对象可以直接进入老年代，无需等到MaxTenuringThreadshold中要求的年龄。
5. 空间分配担保
   • -XX:HandlePromotionFailure
   • 当survivor区放不下对象了，放到老年代。理解为老年代为新生代担保分配空间。
6. 测试示例
   
   

TLAB

为什么要有TLAB(Thread Local Allocation Buffer)

1. 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。
2. 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。
3. 为避免多个线程操作同一个地址，需要使用加锁等机制，进而影响分配的速度。

什么是TLAB

1. 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的缓冲区域，它包含在Eden空间内。
   
2. 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。
3. 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。
4. 大多数的openJDK衍生出来的JVM都提供了TLAB的设计。
5. TLAB再说明
   • 尽管不是所有的对象实例都能在TLAB中分配内存，但JVM确实是将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设置是否开启TLAB，默认是开启的。
     

• 默认情况下，TLAB空间内存非常小，仅占整个Eden空间的1%，当然我们可以通过选项
  -XX:TLABWasteTargetPercent设置TLAB空间所有Eden空间的百分比大小。
• 一旦对象在TLAB空间分配内存失效时，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空间中分配内存。
• 对象分配过程
  

堆空间常用参数

1. -Xms -Xmx
   用来设置堆空间（年轻代+老年代）的初始内存大小
   -X 是Jvm的运行参数
   ms memory start
   -Xmx 用来设置堆空间（年轻代+老年代）的最大内存大小
2. -XX:+PrintFlagsInitial 查看soy的参数的默认初始值
3. -XX:PringFlagsFinal 查看所有参数的最终值（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
4. -Xms 初始化堆空间内存（默认为物理内存的1/64）
5. -Xmx 最大堆内存空间（默认为物理内存的1/4）
6. -Xmn 设置新时代的大小（初始值及最大值）
7. -XX:NewRatio 配置新生代与老年代在堆结构的占比
8. -XX:SurvivorRatio 设置新生代中Eden和S0/S1空间的比例
9. -XX:MaxTenuringThreshold 设置新生代晋升老年代的年龄（经历minorGC的次数）
10. -XX:+PrintGCDetails 输出详细的GC处理日志

 - 打印GC简要信息：
 - -XX:+PrintGC
 - -verbose:gc

11. -XX:HandlePromotionFailure 是否设置空间分配担保
    在发生MinorGC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，则此处MinorGC是安全的，进行MinorGC
    • 如果小于，则虚拟机会查看-XX:HandlePromotionFailure设置的值是否允许担保失败
      1. 如果HandlePromotionFailure=true，允许担保失败，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MinorGC，但这次MinorGC依然是有风险的。
      • 如果小于，则改为进行一次FullGC.

    2. 如果HandlePromotionFailure=false，则改为进行一次FullGC.
    

 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，刚才OpenJDK的源码发现，虽然源码还定义了HandlePromotionFailure参数，但是在代码中已经不再会使用它。JDK6 Update24之后的规则变为只有老年代的连续可用空间大于新生代对象总大小或者历次晋升到老年代的总对象的平均大小就会进行MinorGC，否则进行Full GC，相当于之前的HandlePromotionFailure=true。

通过逃逸分析看堆空间的对象分配策略

在java虚拟机中，对象是在Java堆分配内存的，这是一个普遍的常识。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（对象的作用域只在方法中就不会逃逸），那么就可能被优化成栈上分配。这样就无需在堆上分配内存，也无需进行垃圾回收了，这也是常见的堆外存储技术。
逃逸分析：

示例：


StringBuffer.toString()相当于new String。

总结：

1. 如何快速的判断是否发生了逃逸分析，就是看new的对象实体是否在方法外被调用，被调用就发生了逃逸。
2. 开发中能使用局部变量的，就不要在方法外定义。
   • MinorGC可以提早回收不用的对象。
   • 可能对局部对象实例在栈上分配，无需GC回收，提供程序性能。