深入理解Java虚拟机中的运行时数据区：堆

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 2023-01-17
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原文作者：香香软软的战列舰 原文地址：https://juejin.cn/post/6896463867590180872

堆在JVM启动时被创建，大小也随之确定，是JVM最大、最重要的一块内存空间。堆在物理上不连续，而在逻辑上连续。虽然堆是每个线程共享，但也可以划分线程私有的缓冲区。

几乎所有的对象实例和数组都分配在堆中，少部分分配在栈中。对象和数组可能永远不会存储在栈上，栈帧中仅保存引用，而这引用指向堆中的位置。在栈帧结束后，堆中的对象不会马上被移除，仅在垃圾回收时才被移除。

虚拟机的方法区和堆空间，是每个线程共用的，其他数据区为每个线程私有，私有数据区颗粒度较细，难有优化的空间。而共用的数据区，内存分配时能得到较多的内存，所以该数据区是GC时的重点。

新生代和老年代

在Java7以前，堆空间在逻辑上划分为：新生区+老年区+永久代；在Java8及之后分为：新生区+老年区+元空间

永久代和元空间，是方法区的具体实现，方法区又叫non-heap，所以永久代和元空间实际上不归属于堆，只是逻辑划分而已。

存储在JVM的Java对象可以被划分成两类，一类是生面周期比较短的瞬时对象，这些类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，在某些极端情况下，还能够与JVM的生命周期保持一直，如Runtime类

为什么要进行内存分带？大量数据表明，不同对象的生命周期不同，70%~90%的对象时临时对象，对对象进行分代可以更有目的的进行GC，优化GC性能。

新生代

新生代可以划分为Eden、Survivor0和Survivor1，Survivor0和Survivor1有时也叫作from、to。

  • Eden：对象(几乎所有)最开始创建的位置。
  • Survivor0和Survivor1：Eden区没有被GC清除的对象会被放到S0和S1中，S0和S1大小一致，只有一个空间用来存储对象，另一个区用来全量GC。

绝大部分的Java对象都是在新生代销毁，IBM研究表明，新生代80%的对象都是朝生夕死。

老年代

堆空间除了新生代就是老年代啦。。

对象在堆中的分配过程

1、对象最开始先被分配到Eden区，Eden区满了之后会进行Young GC，存活下来的对象会被移动到Survivor区。每个对象都有一个年龄计数器，在Eden区为0，被移动到S区则变为1。S区满不会触发YGC。

2、存活在S区的对象，在经过第二次GC之后能存活下来的，年龄计数器会继续+1。当年龄计数器达到15后，对应的对象会被移动(promotion)至老年区。该值可以通过-XX:MaxTenuringThreshold=15进行设置。

3、当对象占用的空间太大，YGC后任然超过了Eden区的空间时，会直接将该对象分配到老年代。老年代放不下则进行Full GC，GC后任然放不下则OOM。存活在Eden区的对象在YGC后，S区放不下，则会直接分配到老年代。

与堆内存设置相关的参数

  • -Xms，表示堆的起始内存（新生代和老年代）

全称为-XX:InitialHeapSize

X是JVM的运行参数，ms是memory start。默认单位为字节，有k、m、g

  • -Xmx，表示堆的最大内存

全称为-XX:MaxHeapSize

默认的堆空间大小：

-Xms = 计算机内存大小 /64

-Xmx = 计算机内存大小 /4

一旦超过了-Xmx所制定的最大内存时，将会抛出OutOfMemoryError。通常会将两个参数设置成相同的值，让垃圾回收完后，不需要重新分隔计算堆区的大小，进而提高性能。

可以通过以下程序查看JVM的堆大小：

    // -Xms 堆的起始值，s0,s1区只算其中的一个
    long initalMemory = Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024 / 1024
    // -Xmx 堆的最大值
    long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory() / 1024 / 1024

关闭自适应的内存分配策略

-XX:-UseAdaptiveSizePolicy：-为关闭，+为开启，默认开启

配置新生代和老年代在对结构的占比

  • 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；可以修改为-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和S0、S1的默认比例为8:1:1，可以通过-XX:SurvivorRatio=8调整比例

配置新生代的最大内存大小

  • -Xmn，一般默认即可，有设置就以这个参数为准。

与堆相关的GC

JVM在GC时，并不是整体进行垃圾收集，而是频繁收集新生代，较少收集老年代，几乎不在永久代/元空间收集。

  • Minor GC，只对新生代进行垃圾收集，当Eden区内存不足时会触发，Survivor区满不会GC。

  • Major GC ，只对老年代进行垃圾收集

    目前只有CMS GC会有单独收集老年代的行为

    很多时候Major GC会和Full GC混淆使用，需要具体分辨是老年代回收还是整堆回收

    Major GC经常会伴随Minor GC，也就是在老年代空间不足时，会尝试先触发Minor GC，之后空间还不足，则触发Major GC。Major GC的速度比Minor GC慢十倍以上，STW时间也更长。

    尽量避免

  • Mixed GC，收集新生代和部分老年代的垃圾，只出现于G1 GC

  • Full GC，收集整个Java堆和方法区的垃圾

    引起Full GC的几种情况： 调用System.gc()时，系统建议执行Full GC，但是不必然执行；老年代空间不足；方法区空间不足；Minor GC后进入老年代的平均大小大于老年代的可用内存；老年代放不下从Eden区过来的大对象；

    尽量避免

堆内存分配策略

  • 优先分配到Eden区
  • 大对象直接分配到老年代，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总和大于S区空间的一半，年龄大于等于的对象可以直接进入老年代，无需等到MaxTenuringThreshold要求的年龄
  • 空间分配担保，-XX:HandlePromotionFailure

堆内存的线程私有空间：TLAB

TLAB：ThreadLocal Allocation Buffer

堆区时线程共享的区域，任何线程都可以访问到堆区中共享数据。由于对象实例创建在JVM中非常频繁，因此在并发环境下，从堆区划分内存空间是线程不安全的。为了避免多个线程操作同一地址，需要加锁等机制，加锁影响分配速度。因此有必要为每个线程单独分配一块区域存放数据，该区域存在于Eden区中，这种策略也叫快速分配策略。

尽管不是所有的对象实例都能够在TLAB中成功分配内存，但JVM确实将TLAB作为内存分配的首选。可以通过-XX:UseTLAB设置是否开启，默认开启。默认情况下，TLAB空间非常小，只占Eden区的1%，可以通过-XX:TLABWasteTargetPercent进行设置占用的百分比。

一旦对象在TLAB分配失败时，JVM会尝试加锁确保数据操作的原子性，从而直接在Eden区分配。