JVM——堆空间（新生代老年代）、对象堆空间分配详解

概述

• 一个JVM进程只存在一个堆空间
• 在JVM启动的时候就被创建，空间大小也已经确定（可设置大小），是JVM管理的最大的内存空间，是JVM调优中最需要关注的地方。
• 堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但是逻辑上它是被视为连续的（虚拟内存可以映射不连续的物理内存）
• 所有线程共享堆空间（其中例外的情况是线程私有缓冲区，Thread Local Allocation Buffer，TLAB，为了解决多线程访问的并发性问题）
• 所有对象的实例以及数组都应当在运行时分配到堆中（JVM规范中描述）
  • 创建对象实例或者数组的指令
    • new
    • newarray
    • anewarry
  • 从实际角度看，并不是所有的，只能说几乎所有的（因为存在栈上分配这一操作）
• 在方法执行结束，或者说是某个线程执行结束后，其执行过程中创建的对象不会马上在堆中进行移除，仅在垃圾回收的时候才有可能被移除（使用过的对象实例，需要在GC的时候判断是否是个垃圾，才有可能被GC处理）

堆空间内存细分

现代垃圾收集器大部分都是基于分代收集理论设计的，所以相应的就存在分代垃圾回收算法：分代算法。当然这里不是要说垃圾回收的问题，既然有垃圾回收的分代算法，那么相应的堆空间是有分代情况的。

以下说的都是Hotspot VM

JDK7以及之前的版本逻辑上分为以下三个部分：

• 新生区（Young Generation space）
  • 伊甸园区（Eden space）
  • 幸存者区（Survivor space）：分为幸存者0区和幸存者1区
• 养老区（Tenure Generation space）
• 永久区（Permanent space）

JDK8以及之后的版本逻辑上分为一下三个部分：

• 新生区
  • 伊甸园区
  • 幸存者区：分为幸存者0区和幸存者1区
• 养老区
• 元空间（Meta space）

其实叫什么的都有，什么老年代，新生代balabala的，只要能对应上就行了

堆空间大小

在JVM启动的时候就被创建，空间大小也已经确定

可以通过如下代码查看：

//查看当前堆的大小
Runtime.getRuntime().totalMemory();//单位b
//查看堆的最大内存占用
Runtime.getRuntime().maxMemory();//单位b

默认：

• 起始内存大小为物理内存的1/64
• 最大内存大小为物理内存的1/4

手动设置：

• -Xms：堆的起始内存大小，等价于 -XX:InitialHeapSize
• -Xmx：堆的最大内存，等价于-XX:MaxHeapSize

格式：-Xms[size]，如果不指定单位就是b，可以使用k、m、g

需要注意的是:

• 这里设置的小大指的是：新生代+老年代的大小，不包括元空间
• 通常情况下，在设置-Xms和-Xmx的时候，会将两者设置成一样的大小。因为如果两者不一致，堆占用的空间可能会在使用过程中扩容，或者是GC回收了垃圾后堆内存又随之减少，在这样的情况下，不断地扩容或者收缩内存，也是对系统的一种负担。
• 通常新生代的幸存者区，会有两个：Survivor 0和 Survivor 1，由于这两个幸存者区中，只会有一个使用到，通常计算新生代大小=伊甸园区+一个幸存者区的大小

查看堆区占用信息

• 使用JDK中lib目录下的工具：jvisualvm，在其中安装一个GC插件，可视化的动态监控堆区的信息
• 使用命令：
  • jps & jstat -gc [进程号]：jsp可以查看当前的Java进程，jstat -gc 可以查看某个Java进程的GC信息
  • -XX:PrintGCDetails：和上面的命令大致相同，在运行Java程序的时候使用该参数，在Java程序执行结束的时候会打印GC信息

年轻代和老年代

在JVM中的Java对象，从其生命周期长短来说，大致分为两类：

• 生命周期很短的瞬时对象，其创建和消亡是很快的
• 生命周期很长的对象，极端情况下可能和JVM的生命周期相当
• 几乎所有的Java对象都是在Eden区被new出来的
• 绝大分布Java对象的销毁也都是在Eden区进行的

比例设置

• 默认情况下年轻代和老年代比例为1：2
• 通过参数-XX:NewRatio=4，新生代和老年代的比例为1：4

新生代中各区域所占比例：

• 默认情况下 Eden：Survivor0：Survivor1 = 8：1：1
• 但是！通过jvisualvm工具或者是jps&jstat -gc [Java进程号]这两种方式查看其比例的时候，通常不是8：1：1
  • 原因是因为JVM自适应内存分配策略的影响，具体没有深入研究，可以通过-XX:-UseAdaptiveSizePolicy来关闭该策略，-XX:+UseAdaptiveSizePolicy开启该策略，但是某些情况下关闭了该策略，实际情况可能还不是预期值
  • 要想达到精确的控制，需要手动设置这三者的比例：-XX:SurvivorRatio=8

注意：新生代的大小可以使用-Xmn来设置其内存占用大小，如果-Xmn和-XX:NewRatio同时设置了，以-Xmn为主

对象分配过程

创建一个对象并对其进行内存分配是一个谨慎复杂的事情，需要考虑怎么分配、分配在哪，还需要考虑GC垃圾回收之后是否会产生内存碎片等问题。

• 对象的创建首先是在新生代的Eden区存放
• 当Eden区的内存空间随着对象的不断创建而放满之后，会发生GC，称之为YGC（Young garbage collection，也叫Minor GC），在经历过GC之后，没有被引用的对象，将会被销毁，仍在被引用的对象将会被放在Survivor0区（需要注意的是先放Survivor0和Survivor1，不确定，Survivor区又被称为from和to区，from和to这两个角色具体是谁不是一定的，此时Surviror0为from区，Survivor1为to区），并且为每个对象的年龄计数器赋值，此时为1

• 随着程序的运行，Eden区若再次放满之后又会经历一次GC，没有被应用的对象被销毁，仍在被使用的对象被放在Surviror1中（这里其实准确的来说是放在Survivor区中目前为空的那个），如果此时Survivor0区中之前一次GC幸存下来的对象还在使用，则一并转移到Survivor1中，年龄计数器+1，此时Survivor0为空了，Survivor0变为to区，Survivor1变为from区（谁空谁是to区）

• 之后随着程序的运行，进行如上的过程。当某些对象在Survivor区来回数次之后，年龄计数器达到阈值之后（默认是15，可通过-XX:MaxTenuringThreshold=[age]设置），将会被放入老年代。

【需要特别注意的是：Survivor区满了是不会触发GC的，当然并不是说Survivor没有垃圾回收。当Eden区满了之后触发GC，GC处理除了Eden区之外，会对Survivor一并进行垃圾回收的。所以Survivor是被动的GC】

对象分配过程的特殊情况

顺便提一下，在手动明确设置了堆区大小的时候：

• 如果在分配对象到Eden区的时候发现放不下，触发了GC，还是放不下，那么就会老年代尝试存放，如果老年代也放不下会触发FGC，如若还是放不下直接OOM。
• 如果在Survivor被动GC之后，Survivor出现了放不下的情况，如果放不下，将不会判断对象的年龄计数器，直接将对象放在老年代

对象分配策略

• 优先分配Eden区
• 大对象Eden区放不下，直接放在老年代
  • 所以尽量的避免大对象的存在：Eden区放不下就会触发Minor GC，只要是GC，就一定程度上会出现STW
• 长期存活的对象分配到老年代当中：年龄计数器到阈值的对象（默认15）
• 动态对象年龄判断
  • 如果Survivor中相同年龄的所有对象的大小总和 > Survivor空间的一半，这些等于或者大于该年龄的对象直接进入老年代，就不用等到-XX:MaxTenuringThreshold设置的阈值再进入老年代

TLAB（Thread Local Allocation Buffer）

JVM会对Eden区进行划分，为每一条线程创建其对应的私有缓冲区。

• 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，同时还能提升内存分配的效率（吞吐量），所以这种内存分配的方式也称为快速分配方式。
• 由于线程对应的TLAB区较小，所以并不是所有对象都可以在其中分配，但是JVM会将TLAB区作为首选。
• 使用-XX:UseTLAB开启关闭TLAB空间
• 默认情况下TLAB空间很小（仅占整个Eden空间的1%），通过-XX:TLABWasteTargetPercent设置TLAB空间所占Eden区的大小

堆空间参数设置总结

• -XX:+PrintFlagsInitial：查看所有JVM虚拟机的默认值（不受自行设定的参数值影响）
• -XX:+PrintFlagsFinal：查看所有参数的实际值
  • 查询某个指定参数的值：jps（查询当前运行中的Java进程）+ jinfo -flag [设置项] [Java进程pid]
• ​​​​​​​-XX:+PrintGCDetails：Java程序执行结束的时候会打印GC信息
  • jps & jstat -gc [进程号]：jsp可以查看当前的Java进程，jstat -gc 可以查看某个Java进程的GC信息
• -Xms[size]：堆的起始内存大小，等价于 -XX:InitialHeapSize（起始内存大小默认为物理内存的1/64​​​​​​​）
• -Xmx[size]：堆空间占用最大内存（最大内存大小默认为物理内存的1/4）
• -Xmn[size]：设置新生代的大小
• -XX:NewRatio=[num]：设置新生代和老年代在堆空间的比例
• -XX:SurvivorRatio=[num]：设置新生代中Eden和Survivor0/Survivor1的比例（默认情况下 Eden：Survivor0：Survivor1 = 8：1：1）
• -XX:MaxTenuringThreshold=[age]：设置新生代的最大年龄（被放入老年代前的年龄阈值，默认15）