堆

2024-02-29 19:27:28

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。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，在这里还可以划分线程私有的缓存区（Thread Local Allocation Buffer, TLAB）.
java中几乎所有的对象实例都在堆上分配内存。其实《java虚拟机规范》中所说的是所有，但是随着技术的更新，也出现了栈上分配和标量替换等技术，使得可以不再堆上分配内存。
对象和数组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。
在方法结束后，堆中的对象不会被移除，仅仅在垃圾收集的时候才会被移除。
堆，是GC（Garbage Collection,垃圾收集器）执行垃圾回收的重点区域。

堆的内存细分

现代垃圾收集器大部分基于分代收集理论设计

在java7之前，堆内存逻辑上分为三部分：新生代、老年代、永久代

在java8之后，堆内存逻辑上分为三部分：新生代、老年代、元空间

堆空间大小的设置

java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没存，等价于-XX:MaxHeapSize

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

通常会将-Xmx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

查看设置的参数：

方式一：使用命令 jps /( jstat -gc 进程id)
方式二：-XX:+PrintGCDetails

年轻代与老年代

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顺时对象，这类对象的创建和消亡都非常迅速
另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（有时也叫作from区、to区）

-XX:newRatio=2，老年代与年轻代的比率。默认为2.

-XX:SurvivorRatio=8，调整Eden与两个Survivor的比率。默认为8:1:1

但是在使用jvisualvm工具或者jstat -gc 进程号查看对应程序的内存比率时却发现比率时6:1:1，

这是因为JVM会对内存分配策略进行自适应，要想使用默认的值，还是要显示指定、

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公司专门研究表明，新生代中的对象80%都是朝生夕死的。

可以使用“-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

对象分配一般过程

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和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。

new的对象先放伊甸区。此区有大小限制。
当伊甸园的空间填满时，程序有需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收（Minor GC），将伊甸园中的不被其它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。
然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存者0区。
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
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
对象什么时候去老年区？默认是15次
- 可以用参数设置次数-XX:MaxTenuringThreshold=<N>进行设置
在老年区，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。
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，复制以后有交换，谁空谁是to
关于垃圾回收：频繁在新生区收集，很少在老年区收集，几乎不在永久区/元空间收集

Minor GC、Major GC、Full GC

JVM在进行GC时，并非每次都对上面三个内存区域一起回收，大部分时候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）

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回合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

触发条件

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）
- 因为Java对象大多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块。
- Minor GC会引发STW，暂停其他用户的线程，等待垃圾回收结束，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，我们说“Major GC”或“Full GC”发生了。
- 出现Major GC，经常会伴随最少一次的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，就报OOM。
- Major GC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上。
Full GC触发机制：
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、survivor0（from）区向survivor1（to）区复制时，对象大小大于to区可用内存，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。

堆空间的分代思想

为什么要把java堆分代？

经研究，不同对象的生命周期不同，70%到99%的对象是临时对象。

如果不进行分代，那么进行GC的时候就会对堆的所有区域进行扫描。而采用分代的话，GC优先对“朝生夕死”的新生代进行扫描，这样就能空出很大的空间。对于生命周期长的对象，会将其放入老年代，这样就能减少不必要的扫描。

内存分配策略

如果对象在Eden出生并且经过第一次Minor GC，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区每熬过一次Minor GC，年龄就增加1岁，当它的年龄增加到一定的程度（默认为15）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所示：

优先分配到Eden
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
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老年代，无须等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄
空间分配担保
- -XX:HandlePromotionFailure

TLAB(Thread Local Allocation Buffer)

为什么需要TLAB

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。
为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。

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的再说明：

尽管不是所有对象实例都能够在TLAB中成功分配内存，但JVM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设置是否开启TLAB空间。默认开启。
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:TLABWasterTargetPercent设置TLAB空间所占Eden空间的百分比大小
一旦对象在TLAB空间分配内存失败，JVM就会尝试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。

堆空间常用参数设置

-XX:+PrintFlagsInitial：查看所有餐宿的默认初始值
-XX:+PrintFlagsFinal：查看所有的参数的最终值
- 具体查看某个参数的指令：
  - jps：查看当前运行中的进程
  - jinfo -flag 参数进程id
-Xms:设置初始堆空间内存（默认为物理内存的1/64）
-Xmx：设置最大堆空间内存（默认为物理内存的1/4）
-Xmn：设置新生代的大小。（初始值及最大值）
-XX:NetRatio：配置新生代与老年代在堆结构的占比
-XX:newRatio=2，老年代与年轻代的比率。默认为2.
-XX:SurvivorRatio=8，调整Eden与两个Survivor的比率。默认为8:1:1
-XX:MaxTenuringThreshold:设置新生代垃圾的最大年龄
打印简要GC信息。-XX:+PrintGC,或-verbose:gc
-XX:HandlePromotionFailure:是否设置空间分配担保。在JDK7之后已经不会在代码中使用这个参数了。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。

逃逸分析

前面我们提到过，对象分配在堆上并不是那么绝对的。

在java虚拟机中，对象是在java堆中分配内存的，这是一个普遍的尝试。但是，有一种特殊情况，那就是如果经过逃逸分析（Escape Analysis）后发现，一个对象并没有逃逸出方法的话，那么就可能被优化成栈上分配。这样就无需再堆上分配内存，也无须进行垃圾回收了。这也是最常见的堆外存储技术。

逃逸分析是一种可以有效减少java程序中同步负载和内存堆分配压力的跨函数全局数据流分析算法。

通过逃逸分析，java Hotspot编译器能够分析出一个新的对象的引用的使用范围，从而决定是否要将这个对象分配到堆上。

逃逸分析的基本行为就是分析对象动态作用域：

当一个对象在方法中被定义后，对象只在方法内部使用，则认为没有发生逃逸。使用栈上分配。
当一个对象在方法中被定义后，它被外部方法所引用，则认为发生逃逸。例如作为调用参数传递到其他地方。

结论：开发中能使用局部变量的，就不要在方法外定义。

代码优化

使用逃逸分析，编译器对代码可以做如下优化

栈上分配

JIT编译器在编译期间根据逃逸分析的结果，发现如果一个对象并没有逃逸出方法的话，就可能被优化成栈上分配。分配完成后，继续在调用栈内执行，最后线程结束，栈空间被回收，局部变量对象也被回收。这样就无需进行垃圾回收了。

同步省略

如果一个对象被发现只能从一个线程被访问到，那么对于这个对象的操作可以不考虑同步。

线程同步的代价是相当高的，同步的后果是降低并发性和性能。

在动态编译同步块的时候，JIT编译器可以借助逃逸分析来判断同步块所使用的锁对象是否能够被一个线程访问而没有被发布到其他线程。如果没有，那么JIT编译器在这个同步块的时候就会取消对这部分代码的同步。这样就能大大提高并发性和性能。这个取消同步的过程就叫同步省略，也叫锁消除。

标量替换

有的对象可能不需要作为一个连续的内存结构存在也可以被访问到，那么对象的部分（或全部）可以不存储在内存，而是存储在CPU寄存器中。

标量（Scalar）是指一个无法再分解成更小的数据的数据。java中的原始数据类型就是标量。

相对的，那些还可以分解的数据叫作聚合量（Aggregate），Java中的对象就是聚合量，因为他可以分解成其他聚合量和标量。

在JIT阶段，如果经过逃逸分析，发现一个对象不会被外界访问的话，那么经过JIT优化，就会把这个对象拆解成若干个其中包含的若干个成员变量来代替。这个过程就是标量替代。

参数-XX:+EliminateAllocations，默认开启

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