JVM運行時數據區之堆空間

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# JVM運行時數據區之堆空間 ## 1.核心概述 一個JVM實例只存在一個堆記憶體，堆也是Java記憶體管理的核心區域。堆區在**JVM 啟動的時候即被創建**，其空間大小也就確定了，是**JVM管理的最大一塊記憶體空間**。 《Java虛擬機規範》中對Java堆的描述是:所有的對象實例以及數組都應當在 ...


JVM運行時數據區之堆空間

1.核心概述

一個JVM實例只存在一個堆記憶體，堆也是Java記憶體管理的核心區域。堆區在JVM 啟動的時候即被創建，其空間大小也就確定了，是JVM管理的最大一塊記憶體空間。

《Java虛擬機規範》中對Java堆的描述是:所有的對象實例以及數組都應當在運行時分配在堆上。(The heap is the run-time data area fromwhich memory for all class instances and arrays is allocated）我要說的是:“幾乎”所有的對象實例都在這裡分配記憶體。一從實際使用角度看的。

  • 數組和對象可能永遠不會存儲在棧上，因為棧幀中保存引用，這個引用指向對象或者數組在堆中的位置。
  • 在方法結束後，堆中的對象不會馬上被移除，僅僅在垃圾收集的時候才會被移除。
  • 堆，是GC ( Garbage Collection，垃圾收集器)執行垃圾回收的重點區域。

2.內部結構

現代垃圾收集器大部分都基於分代收集理論設計，堆空間的內部結構細分為:

Java 7及之前堆記憶體邏輯上分為三部分:新生區+養老區+永久區

  • YoungGeneration Space 新生區 Young/New
    • 又被劃分為Eden區和Survivor區
  • Tenure generation space 養老區 Old/Tenure
  • Permanent Space 永久區 Perm

Java 8及之後堆記憶體邏輯上分為三部分: 新生區+養老區+元空間

  • YoungGeneration Space 新生區 Young/New
    • 又被劃分為Eden區和Survivor區
  • Tenure generation space 養老區 Old/Tenure
  • Meta Space 元空間 Meta

JDK7的內部結構圖

變化

3.年輕代與老年代

存儲在JVM中的Java對象可以被劃分為兩類:

  • 一類是生命周期較短的瞬時對象，這類對象的創建和消亡都非常迅速

  • 另外一類對象的生命周期卻非常長，在某些極端的情況下還能夠與JVM的生命周期保持一致。

Java堆區進一步細分的話，可以劃分為其中年輕代又可以劃分為Eden空間、Survivor0空間和Survivor1空間(有時也叫做from區、to區)。

3.1配置

下麵這參數開發中一般不會調:
配置新生代與老年代在堆結構的占比

  • 預設-XX:NewRatio=2，表示新生代占1，老年代占2，新生代占整個堆的1/3

  • 可以修改-XX:NewRatio=4，表示新生代占1，老年代占4，新生代占整個堆的1/5

在HotSpot中，Eden空間和另外兩個Survivor空間預設所占的比例是8:1:1，當然開發人員可以通過選項 -XX:SurvivorRatio”調整這個空間比例。比如-XX:SurvivorRatio=8

幾乎所有的Java對象都是在Eden區被new出來的。絕大部分的Java對象的銷毀都在新生代進行了。IBM公司的專門研究表明，新生代中 80%的對象都是“朝生夕死”的。

4.對象分配過程

  1. 為新對象分配記憶體是一件非常嚴謹和複雜的任務，JVM的設計者們不僅需要考慮記憶體如何分配、在哪裡分配等問題，並且由於記憶體分配演算法與記憶體回收演算法密切相關，所以還需要考慮GC執行完記憶體回收後是否會在記憶體空間中產生記憶體碎片。
  2. new的對象先放伊甸園區。此區有大小限制。
  3. 當伊甸園的空間填滿時，程式又需要創建對象，JVM的垃圾回收器將對伊甸園區進行垃圾回收(Minor GC)，將伊甸園區中的不再被其他對象所引用的對象進行銷毀。再載入新的對象放到伊甸園區
  4. 然後將伊甸園中的剩餘對象移動到幸存者0區
  5. 如果再次觸發垃圾回收，此時上次幸存下來的放到幸存者0區的，如果沒有回收，就會放到幸存者1區。
  6. 如果再次經歷垃圾回收，此時會重新放回幸存者0區，接著再去幸存者1區
  7. 什麼時候能去養老區呢?可以設置次數。預設是15次。可以設置參數:-XX:MaxTenuringThreshold=N進行設置
  8. 在養老區，相對悠閑。當養老區記憶體不足時，再次觸發GC: Major GC，進行養老區的記憶體清理。
  9. 若養老區執行了Major GC之後發現依然無法進行對象的保存，就會產生OOM異常
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

5.記憶體分配策略

5.1堆空間分代思想

  • 經研究，不同對象的生命周期不同。70%-99%的對象是臨時對象
  • 新生代:有Eden、兩塊大小相同的Survivor(又稱為from/to，s0/s1)構成to總為空。
  • 老年代:存放新生代中經歷多次GC仍然存活的對象。

通過將堆分代，可以將生命周期較短的對象放在年輕代中，而將生命周期較長的對象放在老年代中。這樣，垃圾回收器在回收時，可以針對不同代的對象採用不同的策略。對於年輕代中的對象，可以快速掃描和回收，而對於老年代中的對象，則需要經過多次垃圾回收後才能被回收。這種分代思想可以優化垃圾回收的效率，提高程式性能。

如果不分代，所有對象都放在同一代中，會導致垃圾回收效率變低，因為垃圾回收器需要掃描整個堆來查找需要回收的對象。同時，不分代也會導致記憶體浪費，因為一些對象雖然已經被釋放，但是它們的記憶體空間並沒有被回收。因此，分代是Java垃圾回收的重要優化策略，可以提高程式性能和可靠性。

5.2分配原則

  • 優先分配到Eden

  • 大對象直接分配到老年代，儘量避免程式中出現過多的大對象

  • 長期存活的對象分配到老年代

  • 動態對象年齡判斷如果survivor區中相同年齡的所有對象大小的總和大於survivor空間的一半，年齡大於或等於該年齡的對象可以直接進入老年代，無須等到MaxTenuringThreshold 中要求的年齡。

6.TLAB

TLAB（Thread Local Allocation Buffer）是Java虛擬機的一種記憶體分配優化技術。它為每個線程分配一塊私有的記憶體區域，稱為TLAB（Thread Local Allocation Buffer），使得每個線程都擁有自己的記憶體空間，從而避免多線程之間的記憶體競爭和同步問題，提高了記憶體分配的效率。因為堆區是線程共用區域，任何線程都可以訪問到堆區中的共用數據，對象實例的創建在JVM中非常頻繁，因此在併發環境下從堆區中劃分記憶體空間是線程不安全的

TLAB的大小是固定的，當TLAB用滿時，會新申請一個TLAB，而老TLAB里的對象還留在原地，無法感知自己是否是從TLAB分配出來的。當分配一次以後記憶體還是不夠時，會直接移入Eden區。

TLAB的優點是提高了記憶體分配的效率，減少了多線程之間的競爭和同步問題。但是，由於TLAB的大小是固定的，可能會出現浪費空間的情況，導致Eden區空間不連續，積少成多。因此，在創建大量對象時，應該考慮調整堆結構或使用對象池等技術來避免TLAB的缺點。

儘管不是所有的對象實例都能夠在TLAB中成功分配記憶體，但JVM確實是將TLAB作為記憶體分配的首選。

在程式中，開發人員可以通過選項“-XX:UseTLAB”設置是否開啟TLAB空間。

預設情況下，TLAB空間的記憶體非常小，僅占有整個Eden空間的1%，當然我們可以通過選項“-XX:TLABWasteTargetPercent”設置TLAB空間所占用Eden空間的百分比大小。

一旦對象在TLAB空間分配記憶體失敗時，JVM就會嘗試著通過使用加鎖機制確保數據操作的原子性，從而直接在Eden空間中分配記憶體。

7.堆空間常用的參數設置

oracle官網配置：
https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html

-XX:+PrintFlagsInitial : 查看所有的參數的預設初始值
-XX:+PrintFlaqsFinal   ：查看所有的參數的最終值 (可能會存在修改-XX:+PrintFlaqsFinal不再是初始值)
-Xms:初始堆空間記憶體 (預設為物理記憶體的1/64)
-Xmx:最大堆空間記憶體(預設為物理記憶體的1/4)
-Xmn:設置新生代的大小。(初始值及最大值)
-XX:NewRatio:配置新生代與老年代在堆結構的占比
-XX:SurvivorRatio:設置新生代中Eden和s0/S1空間的比例
-XX:+PrintGCDetails:輸出詳細的GC處理日誌
列印gc簡要信息
-XX:+PrintGC
-verbose:gc
-XX:HandlePromotionFailure: 是否設置空間分配擔保
-XX:MaxTenuringThreshold: 設置新生代垃圾的最大年齡

8.簡單講述幾種GC

JVM在進行GC時，並非每次都對上面三個記憶體(新生代、老年代;方法區)區域一起回收的，大部分時候回收的都是指新生代。

針對HotSpot VM的實現，它裡面的GC按照回收區域又分為兩大種類型:

部分收集(Partial GC)：不是完整收集整個Java堆的垃圾收集。其中又分為:

  • 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
  • 混合收集 (Mixed GC): 收集整個新生代以及部分老年代的垃圾收集。目前，只有G1 GC會有這種行為

一種是整堆收集 (Full GC)：收集整個java堆和方法區的垃圾收集

8.1Minor GC（年輕代GC）

  • 當年輕代空間不足時，就會觸發Minor GC，這裡的年輕代滿指的是Eden代滿，Survivor滿不會引發GC(每次 Minor GC 會清理年輕代的記憶體)

  • 因為 Java 對象大多都具備朝生夕滅的特性，所以 Minor GC 非常頻繁，一般回收速度也比較快。

  • GC會引發STW，暫停其它用戶的線程，等垃圾回收結束，用戶線Minor程才恢復運行。

8.2Major GC（老年代GC）

出現了Major GC，經常會伴隨至少一次的Minor GC(但非絕對的，在ParallelScavenge收集器的收集策略里就有直接進行Major GC的策略選擇過程)。
也就是在老年代空間不足時，會先嘗試觸發Minor GC。如果之後空間還不足則觸發Major GC

Major GC的速度一般會比Minor G慢10倍以上，STW的時間更長，如果Major GC後，記憶體還不足，就報OOM了。

8.3Full GC

觸發FullGC 執行的情況有如下五種:

(1)調用System.gc()時，系統建議執行Full GC，但是不必然執行
(2)老年代空間不足
3)方法區空間不足
(4)通過minor GC後進入老年代的平均大小大於老年代的可用記憶體
(5)由Eden區、survivor space0 (From Space) 區向survivor space1(ToSpace) 區複製時，對象大小大於To Space可用記憶體，則把該對象轉存到老年代，且老年代的可用記憶體小於該對象大小
說明: full gc是開發或調優中儘量要避免的。這樣暫時時間會短一些

9.小結

  • 年輕代是對象的誕生、成長、消亡的區域，一個對象在這裡產生、應用,最後被垃圾回收器收集、結束生命。

  • 老年代放置長生命周期的對象，通常都是從survivor區域篩選拷貝過來的Java對象。當然，也有特殊情況，我們知道普通的對象會被分配在TLAB上；如果對象較大，JVM會試圖直接分配在Eden其他位置上；如果對象太大，完全無法在新生代找到足夠長的連續空閑空間，JVM就會直接分配到老年代

  • 當GC只發生在年輕代中，回收年輕代對象的行為被稱為MinorGC。當GC發生在老年代時則被稱為MajorGC 或者FulIGC。一般的，MinorGC 的發生頻率要比MajorGc高很多，即老年代中垃圾回收發生的頻率將大大低於年輕代。

其實堆空間並不是對象分配的唯一選擇，隨著JIT編譯期的發展與逃逸分析技術逐漸成熟，棧上分配、標量替換優化技術將會導致一些微妙變化，下一節寫關於逃逸分析的一些技術


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