一篇文章帮你搞定JVM中的堆

Posted 2021-05-21 杀手不太冷！

文章目录

• 一篇文章帮你搞定JVM中的堆
• • 堆的核心概述
  • 堆的内存细分
  • 设置堆内存大小与OOM
  • OOM(OutOfMemory)举例
  • 年轻代与老年代
  • 图解对象分配过程
  • MinorGC,MajorGC,FullGC
  • 堆空间分代思想
  • 内存分配策略
  • 为对象分配内存：TLAB(Thread Local Allocation Buffer)
  • 堆是分配对象的唯一选择吗
  • 逃逸分析概述
  • 对象如果没有逃逸---代码优化之栈上分配
  • 对象如果没有逃逸---代码优化之同步省略
  • 对象如果没有逃逸---代码优化之标量替换

一篇文章帮你搞定JVM中的堆

堆的核心概述

1.一个JVM实例只存在一个堆内存，堆也是Java内存管理的核心区域。

2.Java堆区在JVM启动的时候即被创建，其空间大小也就确定了。是JVM管理的最大一块内存空间。注意堆内存的大小是可以调节的。

3.《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。

4.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).

5.《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。“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。–从实际使用角度看的。

6.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，如下图:

7.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。GC垃圾回收的时候，如果发现堆内存中的对象实例没有了具体的引用，那么这个对象就会被当成是一个垃圾，会在GC的时候被回收掉。

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

堆的内存细分

现代垃圾收集器大部分都基于分代收集理论设计，堆空间细分为:

Java7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

Permanet Space 永久区 Perm

Java8及之后堆内存逻辑上分为三部分:新生区+养老区+元空间

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

Meta Space 元空间 Meta

堆内存如下图：

但实际上堆空间只包括，新生代和老年代两部分，不包括永久区或者是元空间。

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

设置堆内存大小与OOM

Java堆区用于存储Java对象实例，那么堆的大小在JVM启动时已经设定好了，大家可以通过选项"-Xmx"和"-Xms"来进行设置。

“-Xms”用于表示堆区的起始内存，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。

首先在idea里面写两个类，执行类的main方法，代表两个线程，类具体代码如下图：

HeapDemo.java类的代码如下图：

HeapDemo3.java类的代码如下图：

然后给这两个类配置堆内存空间，点击Run->Edit Configurations,会跳出来一个弹窗，如下图：

配置好HeapDemo3类的堆内存后，再去配置HeapDemo类的堆内存，如下图：

其中-Xms参数和-Xmx参数都是设置堆内存大小的参数：

-Xms:JVM初始时，最小分配的堆内存的大小

-Xmx:JVM初始化时，最大分配的堆内存的大小

接着启动这两个类中的main方法，如下图：

然后在jvisualvm.exe中，查看这两个类实际堆内存的分配情况：

首先jvisualvm.exe程序的位置在jdk的bin目录下，如下图：

然后打开jvisualvm.exe程序，如下图：

注意：刚进入jvisualvm.exe这个应用程序的时候，可能找不到Visual GC这个选项，需要我们安装插件，安装插件的过程如下图：

OOM(OutOfMemory)举例

年轻代与老年代

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),其中年轻代有可以划分为Eden空间，Survivor0空间和Survivor1空间(有时也叫做from区，to区)

配置新生代与老年代在堆结构的额占比：

-XX:NewRatio表示老年代与新生代的比例值

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

一般情况下是不会修改新生代与老年代的比例的。

图解对象分配过程

为新对象分配内存是一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，在哪里分配等问题，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。

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它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。

3.然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存者0区。

4.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。

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

6.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

7.在养老区，相对悠闲。当养老区内存不足时，再次出发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

java.lang.OutOfMemoryError:Java heap space

总结：

幸存区不会主动进行垃圾回收，但是伊甸园区垃圾回收的时候会带着幸存区一块垃圾回收。

幸存区0和1，总会有一个是空的，谁空谁是to,哪个不空的是from。from幸存区会把它的没有被回收的对象移到to幸存区里面。

垃圾回收在新生区发生的次数最多，在养老区发生的次数很少，机会不会在永久区或者说是元空间发生。

图解：

注：绿色标记的是存活对象

MinorGC,MajorGC,FullGC

JVM在进行GC垃圾回收的时候，并不是每次都对新生代，老年代，方法区这三个区域一起回收的，大部分时候回收的都是新生代，老年代的GC垃圾回收的频率很低。

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)

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。

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。

整堆收集(Full GC):收集整个java堆内存和方法区的垃圾收集。

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)

2.因为Java对象大多数都是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。这一定义既清晰又易于理解。

3.Minor GC会引发STW,暂停其它用户的线程，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，我们说"Major GC"或"Full GC"发生了。

2.出现了Major GC,经常会伴随至少一次的Minor GC(但非绝对的，在Parallel Scavenge收集策略里就有直接进行Major GC的策略选择过程)。也就是在老年代空间不足时，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的速度一般会比Minor GC慢10倍以上，STW的时间更长。

4.如果Major GC后，内存还不足，就报OOM了。

5.Major GC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上。

FullGC触发机制:

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大于老年代的可用内存

5.由Eden区，survivor space0(From Space)区向survivor space1(To Space)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。

说明：full gc是开发或调优中尽量要避免的。这样暂时时间会短一些。

堆空间分代思想

为什么需要Java堆分代？不分代就不能正常工作了吗？

不分代也可以工作，但是GC垃圾回收的性能会非常的低，因为如果不分代的话，就相当于是把所有的对象都放在一个地方，那这样的话每次进行GC垃圾回收的时候，就会扫描堆的全部内存区域，但是呢？堆中有的对象它的存活时间很长，如果每次GC的时候，都扫描这些对象，那有些不必要，这样会使GC性能降低，但如果把存活长的对象放到一个区域，存活不是太长的放到另外一个区域，GC扫描的时候，尽量不去扫描老年区，仅仅扫描新生区，这样就可以提高GC垃圾回收的性能，当然尽量不去扫描老年区并不是说，老年区不会进行垃圾回收，只不过老年区的垃圾回收次数相对于新生区会少很多。

内存分配策略

如果对象在Eden出生并经过第一次MinorGC后仍然存活，并且能被Survivor容纳的话，将被移动到Survivor空间中，并将对象年龄设为1对象在Survivor区中每熬过一次MinorGC,年龄就增加1岁。对象在Survivor区中每熬过一次MinorGC,年龄就增加1岁，当它的年龄增加到一定程度(默认为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如下所示：

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老年代，无须等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄。

5.空间分配担保，-XX:HandlePromotionFailure

为对象分配内存：TLAB(Thread Local Allocation Buffer)

为什么会有TLAB呢？

主要是因为，堆区是多个线程都可以共享的，所以在多线程并发的情况下，很可能会出现线程安全问题，所以就在Eden空间内加了很多的TLAB，这些TLAB是线程私有的，这样就可以避免多线程并发情况下的线程安全问题了。

1.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

2.由于对象实例的创建在JVM中非常频繁，因此在并发环境下从堆区中划分内存空间是线程不安全的

3.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

4.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。

5.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，因此我们可以将这种内存分配方式称之为快速分配策略。

6.据我所知所有OpenJDK衍生出来的JVM都提供了TLAB的设计。

TLAB的再说明：

1.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确实是将TLAB作为内存分配的首选

2.在程序中，开发人员可以通过选项"-XX:UseTLAB"设置是否开启TLAB空间

3.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。

4.一旦对象在TLAB空间分配内存失败时，JVM就会尝试着通过使用加锁机制确保数据操作的原子性，从而直接在Eden空间中分配内存。

堆是分配对象的唯一选择吗

堆是分配对象的唯一选择，但是如果进行逃逸分析之后，发现对象没有进行逃逸，它可以标量替换后存储到栈上。什么是标量替换呢？下面有标题进行说明。

在《深入理解Java虚拟机》中关于Java堆内存有这样一段描述：

随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术主键成熟，栈上分配，标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化，所有的对象都分配到堆上也渐渐变得不那么“绝对”了。

在Java虚拟机中，对象是在Java堆中分配内存的，这是一个普遍的常识。但是，有一种特殊情况，那就是如果经过逃逸分析(Escape Analysis)后发现，一个对象并没有逃逸出方法的话，那么就可能被优化成栈上分配。这样就无需在堆上分配内存，也无须进行垃圾回收了。这也是最常见的堆外存储技术。

此外，前面提到的基于OpenJDK深度定制的TaoBaoVM,其中创新的GCIH(GC invisible heap)技术实现off-heap,将生命周期较长的Java对象从heap中移至heap外，并且GC不能管理GCIH内部的Java对象，以此达到降低GC的回收频率和提升GC的回收效率的目的。

逃逸分析概述

什么是逃逸？什么是没有逃逸？

逃逸分析的基本行为就是分析对象动态作用域：

当一个对象在方法中被定义后，对象只在方法内部使用，则认为没有发生逃逸。

当一个对象在方法中被定义后，它被外部方法所引用，则认为发生逃逸。例如作为调用参数传递到其它地方中。

如何将堆上的对象分配到栈，需要使用逃逸分析手段。

这是一种可以有效减少Java程序中同步负载和内存堆分配压力的跨函数全局数据流分析算法。

通过逃逸分析，Java Hotspont编译器能够分析出一个新的对象的引用的使用范围从而决定是否要将这个对象分配到堆上。

例子：

public void my_method(){
    V v=new V();
    ...
    v=null;
}

上面的例子中，v对象只在my_method方法中可以使用，这就表示v对象没有逃逸到其它方法中，其它的方法是不能使用my_method方法中的v对象的，v对象没有发生逃逸，因此v对象可以分配到栈上。

对象可以分配到栈上的好处？这样就不用进行垃圾回收了，v对象会随着my_method栈帧的出栈，自动的进行垃圾回收，这样可以提高GC垃圾回收的效率。

如何快速判断一个对象是否发生了逃逸？就看new的方法是否可以在方法外调用就行了，如果可以在方法外调用，那么这个对象就发生了逃逸，如果不能在方法外调用，那么这个对象就不会发生逃逸。

使用逃逸分析，如果一个对象没有逃逸，编译器可以对代码做如下优化：

1.栈上分配。将堆分配转化为栈分配。如果一个对象在子程序中被分配，要使指向该对象的指针永远不会逃逸，对象可能是栈分配的候选，而不是堆分配。

2.同步省略。如果一个对象被发现只能从一个线程被访问到，那么对于这个对象的操作可以不考虑同步。

3.分离对象或标量替换。有的对象可能不需要作为一个连续的内存结构存在也可以被访问到，那么对象的部分(或全部)可以不存储在内存，而是存储在CPU寄存器中。

基于逃逸分析可以的出来一个结论：

在开发中能够使用局部变量的，就尽量使用局部变量，这样的话，对象不发生逃逸的概率就变大了，所以它可以分配到栈上，这样当栈帧出栈的时候，这个对象也就相当于被垃圾回收了，所以尽量使用局部变量这种方式可以提高GC垃圾回收的效率。

对象如果没有逃逸—代码优化之栈上分配

在编译期间根据逃逸分析的结果，发现如果一个对象并没有逃逸出方法的话，那么这个对象就可能被优化成栈上分配，其实是把对象拆分成了很多个基本类型存储到栈中。

对象如果没有逃逸—代码优化之同步省略

1.线程同步的代价是相当高的，同步的后果是降低并发性和性能。

2.如果一个对象没有逃逸，并且这个对象是锁对象，那么在动态编译代码块的时候，如果只有一个线程可以访问使用的锁对象，就会自动取消这部分代码块的同步，这样就会大大提高并发性和性能。这个取消同步叫做同步省略或者锁消除。

举例说明：

如以下代码：

public void f(){
    Object hollis=new Object();
    synchronized(hollis){
        System.out.println(hollis);
    }
}

代码中对hollis这个对象进行加锁，但是hollis对象的生命周期只在f()方法中，并不会被其它线程所访问到，所以在JIT编译阶段就会被优化掉，优化成:

public void f(){
    Object hollis=new Object();
    System.out.println(hollis);
}

对象如果没有逃逸—代码优化之标量替换

标量(Scalar)是指一个无法再分解成更小的数据的数据。Java中的原始数据类型就是标量。

相对的，哪些还可以分解的数据叫做聚合量(Aggregate),Java中的对象就是聚合量，因为它可以分解成其它聚合量和标量。

如果一个对象没有逃逸，在编译阶段，就会把这个对象拆分成许多个基本数据类型，然后存放到栈中。这样的话，其实就相当于是把对象实例化到栈上面，不用在堆上实例化对象了，对于这个对象来说，它就可以根据栈帧的出栈自动的进行垃圾回收，这样会大大提高GC垃圾回收的效率。

例子：

public static void main(String[] args){
    alloc();
}
private static void alloc(){
    Point point=new Point(1,2);
    System.out.println("point.x="+point.x+";point.y="+point.y);
}
class Point{
    private int x;
    private int y;
}

以上代码，经过标量替换后，就会变成:

private static void alloc(){
    int x=1;
    int y=2;
    System.out.println("point.x="+x+";point.y="+y);
}

可以看到，Point这个聚合量经过逃逸分析后，发现他没有逃逸，就被替换成两个标量了，那么标量替换有什么好处呢？标量替换后，就不用在堆内存中实例化对象了，因为基本数据类型都是保存在栈中的，这样的话就可以大大减少堆内存的占用了。因为一旦不需要创建对象了，那么就不再需要分配堆内存了。并且这样可以提高GC垃圾回收的性能，因为栈上的数据会随着栈帧的出栈而自动的消失，这样我们就不必像在堆内存中清理对象那样，还必须要进行GC垃圾回收，这样可以提高GC性能。

标量替换为栈上分配提供了很好的基础。

标量替换参数设置：

参数-XX:+EliminateAllocations:开启了标量替换(默认打开)，允许将对象打散分配在栈上。