JVM-堆

堆的核心概述

• 一个Jvm实例只存在一个堆空间，堆也是Java内存管理的核心区域
• Java堆区在Jvm启动的时候就被创建，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
• 《Jvm虚拟机规范》规定堆可以处于物理上不连续的空间中，但在逻辑上他应该被视为连续的
• 所有的线程共享Java堆， 在这里还可以划分线程私有的缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）
• 所有的对象实例以及数组都应当运行时分配在堆上
• 数组和对象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，堆中的对象不会被马上移除，仅仅在垃圾收集的时候才会被移除
• 堆，是GC（Garbage Collection，垃圾回收器）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都给予分代收集理论设计，堆空间细分为：

• Java7 及之前堆内存逻辑上分为三部分：新生区+养老区+永久区
• Java8 及之后堆内存逻辑上分为三部分：新省去+养老区+元空间

约定：新生区=新生带=年轻代 养老区=老年区=老年代 永久区=永久代

设置推内存大小和OOM

• 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，可以通过"-Xmx"和"-Xms"来进行设置
  1. "-Xmx"用于表示堆区的起始内存，等价于"-XX:InitialHeapSize"
  2. "-Xms"则用于表示堆区的最大内存，等价于"-XX:MaxHeapSize"
• 一旦堆区中的内存大小超过"-Xmx"指定的最大内存是，将会抛出OutOfMemoryError异常
• 通常会将"-Xms"和"-Xmx"两个参数配置成相同的值，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
• 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

年轻代与老年代

• 存储在JVM中的Java对象可以划分为两类：
  1. 一类是生命周期短的瞬时对象，这类对象的创建和消亡都非常迅速
  2. 另一类对象的生命周期却非常长，在某些极端情况下可以和JVM的生命周期保持一致
• Java堆区细分的话，可以分为年轻代（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（有时也叫做from区、to区）

配置新生代和老年代在堆结构中的占比

1. 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
2. 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

• 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
• 开发人员可以通过选项"-XX:SurvivorRation"调整这个空间比例，比如：-XX:SurvivorRation=8
• 几乎所有的Java对象都是Eden区被new出来的
• 绝大部分的Java对象的销毁都是在新生代进行的
  • IBM 公司专门研究表明，新生代80%的对象都是“朝生夕死”的
• 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可以了

对象分配过程

为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

1. new的对象先放Eden区，此区有大小限制
2. 当Eden的空间填满时，程序又需要创建对象，JVM垃圾回收器将对Eden区进行垃圾回收（Minor GC），将Eden区中的不再被其他对象引用的对象进行销毁，再加载新的对象到Eden区中
3. 然后将Eden空间的剩余对象放入Survivor0空间
4. 如果在此触发垃圾回收，此时上次幸存下来存放到Survivor0空间的，如果没有回收将会放到Survivor1空间
5. 如果再次经历垃圾回收此时会被重新放入Survivor0空间，接着再去Survivor1空间
6. 啥时候去养老区？可以设置次数，默认15次
   • 可以设置参数：-XX:MaxTenuringThreshold=<N>进行设置
7. 当养老区内存不足时，再次触发GC：Major Gc，进行老年代的内存清理
8. 若老年区执行了Major Gc之后发现任然无法进行对象的保存，就会产生OOM异常java.lang.OutOfMemoryError：Java heap space

• 针对幸存者S0，S1区的总结：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的，大部分时候回收的都是指新生代 针对HotSpot Vm的实现，他里面的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：
  1. 新生代收集（Minor GC/Young GC）:只是新生代的垃圾回收
  2. 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
  3. 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。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
• 年轻代GC（Minor GC）触发机制
  1. 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区满不会引发GC。（每次Minor GC会清理年轻代的内存）
  2. 因为Java对象大多都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快。这一定义即清晰又易于理解
  3. 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
• 老年代GC（Major GC）触发机制
  1. 指发生在老年代的GC，对象从老年代消失时，可以理解成Major GC或Full GC发生了
  2. 出现了Major GC，经常会伴随至少一次的Major GC（但非绝对的，在Partial 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，则会触发Major GC
  3. Major GC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上,STW的时间更长
  4. 如果Major GC后，内存不足，就报OOM
• 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. 由于Eden区、Survivor Space0(Form Space)区和Survivor 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，这样暂时时间会短一些

内存分配策略（或对象提升（Promotion）规则）

如果对象在Eden区出生并经过第一次Minor GC后任然存活，并且能被Survivor区容纳的话，将被移动到Survivor区中，并将对象年龄设为1。对象在Survivor区中每熬过一次Minor GC，年龄就增加1岁，当它的年龄增加到一定程度时（默认15岁，其实每个JVM、每个GC都有所不同），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区
• 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区空间的一半，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

对象分配过程：TLAB（Thread Local Allocation Buffer）

什么是TLAB?

• 从内存模型而不是垃圾回收的角度，对Eden区继续进行划分，Jvm为每个线程都分配了一个私有缓存区域，它包含在Eden区域
• 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，同时还可以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做快速分配策略

为什么会有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

TLAB说明

• 尽管不是所有的对象都能在TLAB中成功分配内存，但是Jvm确实将TLAB作为内存分配的首选
• 在程序中，开发可以通过"-XX:UseTLAB"，设置是否开启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空间分配失败时，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