《JVM系列》 第五章 -- 堆空间与对象分配

Posted 2021-06-26 龙源lll

Java堆

对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java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，并确定空间大小。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。
堆内存的大小是可以调节的在实现时，即可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。

Java堆 ，是垃圾收集器（GC，Garbage Collection）执行垃圾回收的重点区域，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，也就是触发了GC的时候，才会进行回收。因此很多时候也被称作“GC堆”。

从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代、老年代和永久区（jdk8以后被称为元空间）；

新生代与老年区：

• Java堆区进一步细分的话，可以划分为年轻代（YoungGen）和老年代（OldGen），默认情况下新生代与老年代的占比为1：2，-XX：NewRatio=2。

• 其中年轻代又可以划分为Eden空间、Survivor0空间和Survivor1空间（有时也被叫做from区、to区）
  在HotSpot中，Eden空间与Survivor空间缺省的占比为8：1：1（-xx:SurvivorRatio=8）。
  

• 年轻代是对象的诞生、成长、消亡的区域，一个对象在这里产生、应用，最后被垃圾回收器收集、结束生命。

• 老年代放置长生命周期的对象，通常都是从survivor区域筛选拷贝过来的Java对象。当然，也有特殊情况，我们知道普通的对象会被分配在TLAB上；如果对象较大，JVM会试图直接分配在Eden其他位置上；如果对象太大，完全无法在新生代找到足够长的连续空闲空间，JVM就会直接分配到老年代。当GC只发生在年轻代中，回收年轻代对象的行为被称为MinorGc。

• 当GC发生在老年代时则被称为MajorGC或者FullGC。一般的，MinorGC的发生频率要比MajorGC高很多，即老年代中垃圾回收发生的频率将大大低于年轻代。

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是生命周期保持一致

几乎所有的Java对象都是在Eden区被new出来的，绝大部分的Java对象的销毁都在新生代进行了。（有些大的对象在Eden区无法存储时候，将直接进入老年代），IBM公司的专门研究表明，新生代中80%的对象都是“朝生夕死”的。

注意：在Eden区满了的时候，才会触发MinorGC，而幸存者区满了后，不会触发MinorGC操作。如果Survivor区满了后，将会触发一些特殊的规则，也就是可能直接晋升老年代

可以使用选项"-Xmn"设置新生代最大内存大小。

从内存分配的角度来看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。不过无论如何划分，都与存放内存无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好的回收内存，或者更快的分配内存。

堆的大小在JVM启动时就已经设定好了，大家可以通过选项"-Xmx"和"-Xms"来进行设置。
-Xms10m：最小堆内存/起始内存，等价于-xx:InitialHeapSize
-Xmx10m：最大堆内存，等价于-XX:MaxHeapSize
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ava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。

堆空间的参数设置：

参数	作用
-XX：+PrintFlagsInitial	查看所有的参数的默认初始值
-XX：+PrintFlagsFinal	查看所有的参数的最终值（可能不再是初始值）
-Xms或-XX:InitialHeapSize	初始堆空间内存（默认为物理内存的1/64）
-Xmx或-XX:MaxHeapSize	最大堆空间内存（默认为物理内存的1/4）
-Xmn	设置新生代的大小。（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
-XX：+PrintGCDetails	输出详细的GC处理日志（①-Xx：+PrintGC ② - verbose:gc）
-XX:HandlePromotionFalilure	是否设置空间分配担保

如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时（内存大小超过“-xmx"所指定的最大内存时），将会抛出OutOfMemoryError异常。

对象分配

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。

对象分配流程：

• 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（MinorGC），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（-Xx:MaxTenuringThreshold= N），默认是15次。
• 在养老区，相对悠闲。当养老区内存不足时，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，发现依然无法进行对象的保存，就会产生OOM异常。

对象分配过程图

内存分配策略：
如果对象在Eden出生并经过第一次Minor GC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，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。针对不同年龄段的对象分配原则如下所示：

• 优先分配到Eden
• 大对象直接分配到老年代，因为新创建的对象都是朝生夕死的，所以这个大对象可能也很快被回收，但是因为老年代触发Major GC的次数比 Minor GC要更少，因此可能回收起来就会比较慢，所以要尽量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。
• 空间分配担保： -Xx:HandlePromotionFailure

垃圾回收GC

JVM在进行GC时，并非每次都对三个内存区域一起回收的，大部分时候回收的都是指新生代。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（FullGC）

• 部分收集：不是完整收集整个Java堆的垃圾收集。其中又分为：
  （1）新生代收集（MinorGC/YoungGC）： 只是新生代的垃圾收集
  （2）老年代收集（MajorGC/OldGC）： 只是老年代的圾收集。目前，只有CMSGC会有单独收集老年代的行为，很多时候Major GC会和FullGC混淆使用，需要具体分辨是老年代回收还是整堆回收。
  （3）混合收集（MixedGC）： 收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集。目前，只有G1 GC会有这种行为
• 整堆收集（FullGC）： 收集整个java堆和方法区的垃圾收集。

Minor GC触发机制：

• 当年轻代空间不足时，就会触发MinorGC，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。）
• 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。这一定义既清晰又易于理解。
• Minor GC会引发STW（stop the word），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

Major GC触发机制：

• 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
• 出现了MajorGC，经常会伴随至少一次的Minor GC（但非绝对的，在Paralle1 Scavenge收集器的收集策略里就有直接进行MajorGC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MinorGC。如果之后空间还不足，则触发Major GC
• Major GC的速度一般会比MinorGC慢10倍以上，STW的时间更长。
• 如果Major GC后，内存还不足，就报OOM异常。(触发OOM的时候，一定是进行了一次Full GC，因为只有在老年代空间不足时候，才会爆出OOM异常)

Full GC触发机制：

• 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
• 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
• 由Eden区、survivor spacee（From Space）区向survivor spacel（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，这样暂停时间（STW时间）会短一些

堆空间分代思想：
为什么要把Java堆分代？不分代就不能正常工作了吗？经研究，不同对象的生命周期不同。70%-99%的对象是临时对象。

• 新生代：有Eden、两块大小相同的survivor（又称为from/to，s0/s1）构成，to总为空。
• 老年代：存放新生代中经历多次GC仍然存活的对象。

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，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。

为对象分配内存TLAB

什么是TLAB？

• TLAB：Thread Local Allocation Buffer，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，因此我们可以将这种内存分配方式称之为快速分配策略。
• 所有OpenJDK衍生出来的JVM都提供了TLAB的设计。

为什么有TLAB？

• 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，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
• 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。

• 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。
• 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。
• 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。
• 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。

逃逸分析

堆是分配对象的唯一选择么？
随着JIT编译期的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，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。

逃逸分析：

• 如何将堆上的对象分配到栈上，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 Hotspot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。
• 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他地方中。
• 没有发生逃逸的对象，则可以分配到栈上，随着方法执行的结束，栈空间就被移除，每个栈里面包含了很多栈帧，也就是发生逃逸分析

逃逸分析举例：

完整的逃逸分析代码举例：
如何快速的判断是否发生了逃逸分析，大家就看new的对象实体是否在方法外被调用。

参数设置：
在JDK 1.7 版本之后，HotSpot中默认就已经开启了逃逸分析
如果使用的是较早的版本，开发人员则可以通过：

• 选项“-xx：+DoEscapeAnalysis"显式开启逃逸分析
• 通过选项“-xx：+PrintEscapeAnalysis"查看逃逸分析的筛选结果
  结论

总结：开发中能使用局部变量的，就不要使用在方法外定义。

使用逃逸分析，编译器可以对代码做如下优化：

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发生逃逸，对象可能是栈上分配的候选，而不是堆上分配。
• JIT编译器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，就可能被优化成栈上分配。分配完成后，继续在调用栈内执行，最后线程结束，栈空间被回收，局部变量对象也被回收。这样就无须进行垃圾回收了。

同步省略：

• 如果一个对象被发现只有一个线程被访问到，那么对于这个对象的操作可以不考虑同步。
• 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。
• 在动态编译同步块的时候，JIT编译器可以借助逃逸分析来判断同步块所使用的锁对象是否只能够被一个线程访问而没有被发布到其他线程。如果没有，那么JIT编译器在编译这个同步块的时候就会取消对这部分代码的同步。这样就能大大提高并发性和性能。这个取消同步的过程就叫同步省略，也叫锁消除。

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。
• 在JIT阶段，如果经过逃逸分析，发现一个对象不会被外界访问的话，那么经过JIT优化，就会把这个对象拆解成若干个其中包含的若干个成员变量来代替。这个过程就是标量替换。
• 标量（scalar）：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。
• 聚合量（Aggregate）：相对的，那些还可以分解的数据，Java中的对象就是聚合量，因为他可以分解成其他聚合量和标量。