图解带你掌握`JVM`运行时核心内存区

Posted 2021-12-28 华为云开发者社区

摘要：堆空间差不多是最大的内存空间，也是运行时数据区最重要的内存空间。堆可以处于物理上不连续的内存空间，但在逻辑上它应该被视为连续的。

本文分享自华为云社区​​《醒酒菜：动画图解核心内存区--堆》​​，作者： 阿Q说代码。

堆的概述

一般来说：

• 一个Java程序的运行对应一个进程；
• 一个进程对应着一个JVM实例（JVM的启动由引导类加载器加载启动），同时也对应着多个线程；
• 一个JVM实例拥有一个运行时数据区（Runtime类，为饿汉式单例类）；
• 一个运行时数据区中的堆和方法区是多线程共享的，而本地方法栈、虚拟机栈、程序计数器是线程私有的。

堆空间差不多是最大的内存空间，也是运行时数据区最重要的内存空间。堆可以处于物理上不连续的内存空间，但在逻辑上它应该被视为连续的。

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。堆，是GC(Garbage Collection，垃圾收集器)执行垃圾回收的重点区域。

堆内存大小设置

堆一旦被创建，它的大小也就确定了，初始内存默认为电脑物理内存大小的1/64，最大内存默认为电脑物理内存的1/4，但是堆空间的大小是可以调节，接下来我们来演示一下。

准备工具

JDK自带内存分析的工具:在已安装JDK的bin目录下找到jvisualvm.exe。打开该软件，下载插件Visual GC，一定要点击检查最新版本，否则会导致安装失败。

安装完重启jvisualvm

代码样例

public class HeapDemo 
    public static void main(String[] args) 
        System.out.println("start...");
        try 
            Thread.sleep(1000000);
         catch (InterruptedException e) 
            e.printStackTrace();
        
        System.out.println("end...");
    

IDEA设置

• -Xms10m用于表示堆区的起始内存为10m，等价于-XX:InitialHeapSize；
• -Xmx10m用于表示堆区的最大内存为10m，等价于-XX:MaxHeapSize；
• 其中-X是JVM的运行参数，ms是memory start

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。

启动程序

启动程序之后去jvisualvm查看

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(Out Of MemoryError)异常。

堆的分代

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；
• 另一类是生命周期非常长，在某些情况下还能与JVM的生命周期保持一致；

堆区分代

经研究表明70%-99%的对象属于临时对象，为了提高GC的性能，Hotspot虚拟机又将堆区进行了进一步划分。

如图所示，堆区又分为年轻代（YoungGen）和老年代（OldGen）；其中年轻代又分为伊甸园区（Eden）和幸存者区（Survivor）；幸存者区分为幸存者0区（Survivor0，S0）和幸存者1区（Survivor1，S1），有时也叫from区和to区。

分代完成之后，GC时主要检测新生代Eden区。

统一概念：

新生区<=>新生代<=>年轻代养老区<=>老年区<=>老年代

几乎所有的Java对象都是在Eden区被new出来的，有的大对象在该区存不下可直接进入老年代。绝大部分的Java对象都销毁在新生代了（IBM公司的专门研究表明，新生代80%的对象都是“朝生夕死”的）。

新生代与老年代在堆结构的占比

• 默认参数-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;

该参数在开发中一般不会调整，如果生命周期长的对象偏多时可以选择调整。

Eden与Survivor在堆结构的占比

在HotSpot中，Eden空间和另外两个Survivor空间所占的比例是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

可以在cmd中通过jps 查询进程号-> jinfo -flag NewRatio(SurvivorRatio) + 进程号 查询配置信息

-Xmn设置新生代最大内存大小（默认就好），如果既设置了该参数，又设置了NewRatio的值，则以该参数设置为准。

查看设置的参数

以上边的代码为例：设置启动参数-XX:+PrintGCDetails；可在cmd窗口中输入jps查询进程号，然后通过jstat -gc 进程id指令查看进程的内存使用情况。

图解对象分配过程

对象分配过程

1. new的对象先放伊甸园区，此区有大小限制；
2. 当伊甸园的空间填满时，程序继续创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收（Minor GC，也叫YGC)：将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁，将未被销毁的对象移动到幸存者0区并分配age；
3. 然后再加载新的对象放到伊甸园区；
4. 如果再次触发垃圾回收，将此次未被销毁的对象和上一次放在幸存者0区且此次也未被销毁的对象一齐移动到幸存者一区，此时新对象的age为1，上次的对象的age加1变为2；
5. 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，age也随之增加；
6. 默认当age为15时，未被回收的对象将移动到老年区。可以通过设置参数来更改默认配置：-XX:MaxTenuringThreshold=<N>；该过程称为晋升（promotion)；
7. 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；
8. 若养老区执行了Major GC之后发现依然无法进行对象的保存，就会产生OOM异常。

S0，S1满时不会触发YGC，但是YGC会回收S0，S1的对象。

总结

• 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。

对象特殊情况分配过程

1. 新对象申请内存，如果Eden放的下，则直接存入Eden；如果存不下则进行YGC；
2. YGC之后如果能存下则放入Eden，如果还存不下（为超大对象），则尝试存入Old区；
3. 如果Old区可以存放，则存入；如果不能存入，则进行Full GC；
4. Full GC之后如果可以存入Old区，则存入；如果内存空间还不够，则OOM；
5. 图右侧为YGC的流程图：当YGC之后未销毁的对象放入幸存者区，此时如果幸存者区的空间可以装下该对象，则存入幸存者区，否则，直接存入老年代；
6. 当在幸存者区的对象超过阈值时，可以晋升为老年代，未达到阈值的依旧在幸存者区复制交换。

内存分配策略

针对不同年龄段的对象分配原则如下：

1. 优先分配到Eden；
2. 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；
3. 长期存活的对象分配到老年代；
4. 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空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象可以直接进入到老年代。无需等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄；

数值变小原理

代码样例，设置参数:-Xms600m，-Xmx600m

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");
        System.out.println("-Xmx : " + maxMemory + "M");
        
        try 
            Thread.sleep(1000000);
         catch (InterruptedException e) 
            e.printStackTrace();
        
    

//执行结果
-Xms : 575M
-Xmx : 575M

明明设置的600M，怎么变成575M了呢？这是因为在堆内存存取数据时，新生代里边只有伊甸园和幸存者1区或者是幸存者2区存储对象，所以会少一个幸存者区的内存空间。

GC

JVM进行GC时，并非每次都对新生代、老年代、方法区（永久代、元空间）这三个区域一起回收，大部分回收是指新生代。

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）

Partial 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：

• 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）：收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集，只有G1 GC （按照region划分新生代和老年代的数据）会有这种行为。

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。

Full GC

整堆收集（Full GC）：整个java堆和方法区的垃圾收集。

触发机制

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)
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。
3. 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。

老年代GC(Major GC/Full GC)触发机制

1. 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；
2. 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；
3. Major GC速度一般会比Minor GC慢10倍以上，STW时间更长；
4. 如果Major GC后，内存还不足，就报OOM了。

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。

Full GC是开发或调优中尽量要避免的，这样暂停时间会短一些。

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