JVM-运行时数据区_2-堆

JVM-运行时数据区_2-堆
运行时数据区_2-堆

概述

概念
- 对于Java应用程序来说，Java堆（Java Heap）是虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。
- 此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，Java世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。在《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堆上分配”
- Java堆是垃圾收集器管理的内存区域，因此一些资料中它也被称作“GC堆”。从回收内存的角度看，由于现代垃圾收集器大部分都是基于分代收集理论设计的，所以Java堆中经常会出现“新生代”“老年代”“永久代”“Eden空间”“From Survivor空间”“To Survivor空间”等名词
- 如果从分配内存的角度看，所有线程共享的Java堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区（TLAB），以提升对象分配时的效率。
- Java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，这点就像我们用磁盘空间去存储文件一样，并不要求每个文件都连续存放。但对于大对象（典型的如数组对象），很可能会要求连续的内存空间。
- Java堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过参数-Xmx和-Xms设定）。如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。
堆的细分内存结构

不过无论从什么角度，无论如何划分，都不会改变Java堆中存储内容的共性，无论是哪个区域，存储的都只能是对象的实例，将Java
堆细分的目的只是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。在JDK7以前分为新生区+养老区+永久区；JDK8以后分为新生区+养老区+元空间。分别如下所示：

设置堆内存大小与OOM

设置堆内存大小
- Java堆区用于存储java对象实例，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 用来设置堆空间（年轻代+老年代）的初始内存大小-Xmx是用于设置堆的最大内存。
- 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OOM异常
- 通常会将-Xms和-Xmx两个参数配置相同的值，其目的就是为了能够在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
- 实例
```
public class HeapSpaceInitial {
	public static void main(String[] args) {
		//返回Java虚拟机中的堆内存总量
		long initialMemory = Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024 / 1024;
		//返回Java虚拟机试图使用的最大堆内存量
		long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory() / 1024 / 1024;
		System.out.println("-Xms : " + initialMemory + "M");
		//-Xms : 245M
		System.out.println("-Xmx : " + maxMemory + "M");
		//-Xmx : 3641M
		System.out.println("系统内存大小为：" + initialMemory * 64.0 / 1024 + "G");
		//系统内存大小为：15.3125G
		System.out.println("系统内存大小为：" + maxMemory * 4.0 / 1024 + "G");
		//系统内存大小为：14.22265625G
		try {
			Thread.sleep(1000000);
		}
		catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
}
```
设置堆大小为600m，打印出的结果为575m，这是因为幸存者区S0和S1各占据了25m，但是他们始终有一个是空的，存放对象的是伊甸园区和一个幸存者区

OOM

新生代与老年代
1. 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
- 另外一类对象时生命周期非常长，在某些情况下还能与JVM的生命周期保持一致
1. 分区细化
- Java堆区进一步细分可以分为年轻代和老年代其中年轻代可以分为Eden空间、S0空间和S1空间
- 配置新生代和老年代在堆结构中占比
  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
  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（测试的时候是6：1：1）；开发人员可以通过选项 -XX:SurvivorRatio 调整空间比例；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对象都销毁在新生代了；可以使用选项-Xmn设置新生代最大内存大小。
- 实例
```
/**
 * -Xms600m -Xmx600m
 *
 * -XX:NewRatio ： 设置新生代与老年代的比例。默认值是2.
 * -XX:SurvivorRatio ：设置新生代中Eden区与Survivor区的比例。默认值是8
 * -XX:-UseAdaptiveSizePolicy ：关闭自适应的内存分配策略 '-'关闭,'+'打开  （暂时用不到）
 * -Xmn:设置新生代的空间的大小。 （一般不设置）
 *
 */
public class EdenSurvivorTest {
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println("我只是来打个酱油~");
		try {
			Thread.sleep(1000000);
		}
		catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
}
```
内存分配的过程

概述

为新对象分配内存是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、在哪里分配的问题，并且由于内存分配算法与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的对象先放伊甸园区。此区有大小限制。
- 当伊甸园的空间填满时，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收（Minor GC),将伊甸园区中的不再被其他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。
- 啥时候能去养老区呢？可以设置次数。默认是15次。·可以设置参数：-XX:MaxTenuringThreshold=进行设置。
- 在养老区，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
针对幸存者s0,s1区：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，几乎不再永久区/元空间收集。

流程图如下：
- 实例
```
public class HeapInstanceTest {
	byte[] buffer = new byte[new Random().nextint(1024 * 200)];
	public static void main(String[] args) {
		ArrayList<HeapInstanceTest> list = new ArrayList<HeapInstanceTest>();
		while (true) {
			list.add(new HeapInstanceTest());
			try {
				Thread.sleep(10);
			}
			catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
}
```
常用调优工具：
JDK命令行、Eclipse：Memory Analyzer Tool、Jconsole、VisualVM、Jprofiler、Java Flight Recorder、GCViewer、GC Easy

堆空间分代思想
- 经研究，不同对象的生命周期不同。70%-99%的对象都是临时对象。
- 新生代：有Eden、Survivor构成，to总为空老年代：存放新生代中经历多次依然存活的对象其实不分代完全可以，分代的唯一理由就是优化GC性能。
- 如果没有分代，那所有的对象都在一块，就如同把一个学校的人都关在一个教室。GC的时候要找到哪些对象没用，这样就会对堆的所有区域进行扫描，而很多对象都是朝生夕死的
- 如果分代的话，把新创建的对象放到某一地方，当GC的时候先把这块存储“朝生夕死”对象的区域进行回收，这样就会腾出很大的空间出来
内存分配策略
- 大多数情况下，对象在新生代Eden区中分配。当Eden区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次Minor GC。能被Survivor容纳的话，将被移动到Survivor空间中，把那个将对象年龄设为1.
- 对象在Survivor区中每熬过一次MinorGC，年龄就增加一岁，当它的年龄增加到一定程度（默认15岁，其实每个JVM、每个GC都有所不同）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
1. 优先分配到Eden
2. 大对象直接分配到老年代
3. 长期存活的对象分配到老年代
4. 动态对象年龄判断
  为了能更好地适应不同程序的内存状况，HotSpot虚拟机并不是永远要求对象的年龄必须达到-XX：MaxTenuringThreshold才能晋升老年代，如果在Survivor空间中相同年龄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就可以直接进入老年代，无须等到-XX：
5. 空间分配担保
  在发生Minor GC之前，虚拟机必须先检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象总空间，如果这个条件成立，那这一次Minor GC可以确保是安全的。如果不成立，则虚拟机会先查看-XX：HandlePromotionFailure参数的设置值是否允许担保失败（Handle Promotion Failure）；如果允许，那会继续检查老年代最大可用的连续空间是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小，如果大于，将尝试进行一次Minor GC，尽管这次Minor GC是有风险的；如果小于，或者-XX：HandlePromotionFailure设置不允许冒险，那这时就要改为进行一次Full GC。
- 实例
```
/** 测试：大对象直接进入老年代
 * -Xms60m -Xmx60m -XX:NewRatio=2 -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+PrintGCDetails
 */
public class YoungOldAreaTest {
	// 新生代 20m ，Eden 16m， s0 2m， s1 2m
	// 老年代 40m
	public static void main(String[] args) {
		//Eden 区无法存放buffer  晋升老年代
		byte[] buffer = new byte[1024 * 1024 * 20];
		//20m
	}
}
```
线程私有缓存区域
- 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，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
- 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
- 在程序中，开发人员可以通过选项“-XX:UseTLAB“ 设置开启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
- 对象分配过程
堆空间的参数设置
- -XX:PrintFlagsInitial: 查看所有参数的默认初始值
- -XX:PrintFlagsFinal：查看所有的参数的最终值（可能会存在修改，不再是初始值）
  具体查看某个参数的指令：
  jps：查看当前运行中的进程
  jinfo -flag SurvivorRatio 进程id：查看新生代中Eden和S0/S1空间的比例
- -Xms: 初始堆空间内存（默认为物理内存的1/64）
- -Xmx: 最大堆空间内存（默认为物理内存的1/4）
- -Xmn: 设置新生代大小（初始值及最大值）
- -XX:NewRatio: 配置新生代与老年代在堆结构的占比
- -XX:SurvivorRatio：设置新生代中Eden和S0/S1空间的比例
- -XX:MaxTenuringThreshold：设置新生代垃圾的最大年龄(默认15)
- -XX:+PrintGCDetails：输出详细的GC处理日志
  打印gc简要信息：① -XX:+PrintGC ② -verbose:gc
- -XX:HandlePromotionFailure：是否设置空间分配担保
垃圾回收机制

JVM在进行GC时，并非每次都针对上面三个内存区域（新生代、老年代、方法区）一起回收的，大部分时候回收都是指新生代。

收集的分类

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）
1. 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 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
- 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，之后G1 GC会有这种行为
1. 整堆收集：收集整个java堆和方法区的垃圾收集
触发机制
1. 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，Survivor是被动GC，不会主动GC)
- 因为Java队形大多都具备朝生夕灭的特性，所以Monor GC 非常频繁，一般回收速度也比较快，这一定义既清晰又利于理
- Minor GC 会引发STW（Stop the World），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。
1. 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，Major GC 或者 Full GC 发生了
- 出现了Major GC，经常会伴随至少一次的Minor GC（不是绝对的，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速度一般会比Minor GC慢10倍以上，STW时间更长
- 如果Major GC后，内存还不足，就报OOM了
1. Full GC触发机制
  触发Full GC执行的情况有以下五种
  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小于老年代的可用内存
  ⑤由Eden区，Survivor S0（from）区向S1（to）区复制时，对象大小由于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
2. 实例
```
/** 测试GC分代回收
 * 测试MinorGC 、 MajorGC、FullGC
 * -Xms9m -Xmx9m -XX:+PrintGCDetails
 */
public class GCTest {
	public static void main(String[] args) {
		int i = 0;
		try {
			List<String> list = new ArrayList<>();
			String a = "testGC";
			while (true) {
				list.add(a);
				a = a + a;
				i++;
			}
		}
		catch (Throwable t) {
			t.printStackTrace();
			System.out.println("遍历次数为：" + i);
		}
	}
}
```
堆是分配对象的唯一选择？（后面补）
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JVM-运行时数据区_2-堆

运行时数据区_2-堆

概述

概念

堆的细分内存结构

设置堆内存大小与OOM

设置堆内存大小

OOM

新生代与老年代

内存分配的过程

概述

堆空间分代思想

内存分配策略

线程私有缓存区域

堆空间的参数设置

垃圾回收机制

收集的分类

触发机制

堆是分配对象的唯一选择？（后面补）