JVM-堆

1.堆的核心概述

1.1 认识堆内存

堆与进程、线程

• 一个进程对应一个JVM实例
• 一个JVM实例对应一个堆空间
• 进程包含多个线程，所以线程之间共享同一个堆空间

对堆的认识

• 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，堆是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冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。
• 《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。（The heap is the run-time data area from which memory for all class instances and arrays is allocated）
• 从实际使用角度看的：“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。因为还有一些对象是在栈上分配的（逃逸分析，标量替换）
• 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，堆中的对象不会马上被移除，仅仅在垃圾收集的时候才会被移除。
  • 也就是触发了GC的时候，才会进行回收
  • 如果堆中对象马上被回收，那么用户线程就会收到影响，因为有 stop the word
• 堆，是GC（Garbage Collection，垃圾收集器）执行垃圾回收的重点区域。

如何设置堆内存大小

• -Xms10m -Xmx10m
• -Xms 是指设定程序启动时占用内存大小。一般来讲，大点，程序会启动的快一点，但是也可能会导致机器暂时间变慢。
• -Xmx 是指设定程序运行期间最大可占用的内存大小。如果程序运行需要占用更多的内存，超出了这个设置值，就会抛出OutOfMemory异常。

1.3 堆内存分区(重要)

堆内存细分

• Java 7及之前堆内存逻辑上分为三部分：新生区 + 养老区 + 永久区
  • Young Generation Space 新生区 Young/New
  • 新生区又被划分为 Eden区 和 Survivor区
  • Tenure generation space 养老区 Old/Tenure
  • Permanent Space永久区 Perm

• Java 8及之后堆内存逻辑上分为三部分：新生区 + 养老区 + 元空间
  • Young/New Generation Space 新生区，又被划分为Eden区和Survivor区
  • Old/Tenure generation space 养老区
  • Meta Space 元空间 Meta

• 约定：新生区 = 新生代 = 年轻代、 养老区 = 老年区 = 老年代、 永久区 = 永久代

2.设置堆内存大小与OOM

2.1 设置堆空间大小

• 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，大家可以通过选项"-Xms"和"-Xmx"来进行设置。
  • -Xms 用于表示堆区的初始内存，等价于 -XX:InitialHeapSize
  • -Xmx 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”所指定的最大内存时，将会抛出OutofMemoryError异常。
• 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。
• 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

2.2 OOM举例

/**
 * -Xms600m -Xmx600m
 */
public class OOMTest {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<Picture> 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];
    }
}

设置虚拟机参数 -Xms600m -Xmx600m

• 监控堆内存变化：Old 区域一点一点在变大，直到最后一次垃圾回收器无法回收垃圾时，堆内存被撑爆，抛出 OutOfMemoryError 错误

• 堆内存变化图

• 分析原因：大对象导致堆内存溢出

3.年轻代与老年代

3.1 Java 对象分类

• 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（有时也叫做from区、to区）

3.2 配置新老比例

配置新生代与老年代在堆结构的占比（下面这些参数在开发中一般不会调）

• 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
• 当发现在整个项目中，生命周期长的对象偏多，那么就可以通过调整老年代的大小，来进行调优

新生区中的比例

• 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
• 当然开发人员可以通过选项-XX:SurvivorRatio调整这个空间比例。比如-XX:SurvivorRatio=8
• 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（有些大的对象在Eden区无法存储时候，将直接进入老年代）
  • 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。
• 可以使用选项"-Xmn"设置新生代最大内存大小，但这个参数一般使用默认值就可以了。
• 新生区的对象默认生命周期超过 15 ，将进入老年代
• Survivor0和Survivor1总会有一个为空的，每一次gc，会把Survivor区的内存复制到空的Survivor区