JVM之堆内存（年经代，老年代）

Posted 2020-11-07 arctic_fox

一、为什么会有年轻代

　　我们先来屡屡，为什么需要把堆分代？不分代不能完成他所做的事情么？其实不分代完全可以，分代的唯一理由就是优化GC性能。你先想想，如果没有分代，那我们所有的对象都在一块，GC的时候我们要找到哪些对象没用，这样就会对堆的所有区域进行扫描。而我们的很多对象都是朝生夕死的，如果分代的话，我们把新创建的对象放到某一地方，当GC的时候先把这块存“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。

二.年轻代中的GC

　　新生代大小（PSYoungGen total 9216K）=eden大小（eden space 8192K）+1个survivor大小（from space 1024K）

　　HotSpot JVM把年轻代分为了三部分：1个Eden区和2个Survivor区（分别叫from和to）。默认比例为8（Eden）：1（一个survivor）,为啥默认会是这个比例，接下来我们会聊到。一般情况下，新创建的对象都会被分配到Eden区(一些大对象特殊处理),这些对象经过第一次Minor GC后，如果仍然存活，将会被移到Survivor区。对象在Survivor区中每熬过一次Minor GC，年龄就会增加1岁，当它的年龄增加到一定程度时，就会被移动到年老代中。
　　因为年轻代中的对象基本都是朝生夕死的(80%以上)，所以在年轻代的垃圾回收算法使用的是复制算法，复制算法的基本思想就是将内存分为两块，每次只用其中一块，当这一块内存用完，就将还活着的对象复制到另外一块上面。复制算法不会产生内存碎片。
在GC开始的时候，对象只会存在于Eden区和名为“From”的Survivor区，Survivor区“To”是空的。紧接着进行GC，Eden区中所有存活的对象都会被复制到“To”，而在“From”区中，仍存活的对象会根据他们的年龄值来决定去向。年龄达到一定值(年龄阈值，可以通过-XX:MaxTenuringThreshold来设置)的对象会被移动到年老代中，没有达到阈值的对象会被复制到“To”区域。经过这次GC后，Eden区和From区已经被清空。这个时候，“From”和“To”会交换他们的角色，也就是新的“To”就是上次GC前的“From”，新的“From”就是上次GC前的“To”。不管怎样，都会保证名为To的Survivor区域是空的。Minor GC会一直重复这样的过程，直到“To”区被填满，“To”区被填满之后，会将所有对象移动到年老代中。

三、一个对象的这一辈子

　　我是一个普通的Java对象，我出生在Eden区，在Eden区我还看到和我长的很像的小兄弟，我们在Eden区中玩了挺长时间。有一天Eden区中的人实在是太多了，我就被迫去了Survivor区的“From”区，自从去了Survivor区，我就开始漂了，有时候在Survivor的“From”区，有时候在Survivor的“To”区，居无定所。直到我18岁的时候，爸爸说我成人了，该去社会上闯闯了。于是我就去了年老代那边，年老代里，人很多，并且年龄都挺大的，我在这里也认识了很多人。在年老代里，我生活了20年(每次GC加一岁)，然后被回收。

四、为什么要有Survivor区

先不去想为什么有两个Survivor区，第一个问题是，设置Survivor区的意义在哪里？ 

 

如果没有Survivor，Eden区每进行一次Minor GC，存活的对象就会被送到老年代。老年代很快被填满，触发Major GC（因为Major GC一般伴随着Minor GC，也可以看做触发了Full GC）。老年代的内存空间远大于新生代，进行一次Full GC消耗的时间比Minor GC长得多。你也许会问，执行时间长有什么坏处？频发的Full GC消耗的时间是非常可观的，这一点会影响大型程序的执行和响应速度，更不要说某些连接会因为超时发生连接错误了。

好，那我们来想想在没有Survivor的情况下，有没有什么解决办法，可以避免上述情况：

方案	优点	缺点
增加老年代空间	更多存活对象才能填满老年代。降低Full GC频率	随着老年代空间加大，一旦发生Full GC，执行所需要的时间更长
减少老年代空间	Full GC所需时间减少	老年代很快被存活对象填满，Full GC频率增加

显而易见，没有Survivor的话，上述两种解决方案都不能从根本上解决问题。

我们可以得到第一条结论：Survivor的存在意义，就是减少被送到老年代的对象，进而减少Full GC的发生，Survivor的预筛选保证，只有经历16次Minor GC还能在新生代中存活的对象，才会被送到老年代。

五、为什么要设置两个Survivor区

设置两个Survivor区最大的好处就是解决了碎片化，下面我们来分析一下。

为什么一个Survivor区不行？第一部分中，我们知道了必须设置Survivor区。假设现在只有一个survivor区，我们来模拟一下流程： 
刚刚新建的对象在Eden中，一旦Eden满了，触发一次Minor GC，Eden中的存活对象就会被移动到Survivor区。这样继续循环下去，下一次Eden满了的时候，问题来了，此时进行Minor GC，Eden和Survivor各有一些存活对象，如果此时把Eden区的存活对象硬放到Survivor区，很明显这两部分对象所占有的内存是不连续的，也就导致了内存碎片化。 
我绘制了一幅图来表明这个过程。其中色块代表对象，白色框分别代表Eden区（大）和Survivor区（小）。Eden区理所当然大一些，否则新建对象很快就导致Eden区满，进而触发Minor GC，有悖于初衷。 

 

碎片化带来的风险是极大的，严重影响Java程序的性能。堆空间被散布的对象占据不连续的内存，最直接的结果就是，堆中没有足够大的连续内存空间，接下去如果程序需要给一个内存需求很大的对象分配内存。。。画面太美不敢看。。。这就好比我们爬山的时候，背包里所有东西紧挨着放，最后就可能省出一块完整的空间放相机。如果每件行李之间隔一点空隙乱放，很可能最后就要一路把相机挂在脖子上了。

那么，顺理成章的，应该建立两块Survivor区，刚刚新建的对象在Eden中，经历一次Minor GC，Eden中的存活对象就会被移动到第一块survivor space S0，Eden被清空；等Eden区再满了，就再触发一次Minor GC，Eden和S0中的存活对象又会被复制送入第二块survivor space S1（这个过程非常重要，因为这种复制算法保证了S1中来自S0和Eden两部分的存活对象占用连续的内存空间，避免了碎片化的发生）。S0和Eden被清空，然后下一轮S0与S1交换角色，如此循环往复。如果对象的复制次数达到16次，该对象就会被送到老年代中。下图中每部分的意义和上一张图一样，就不加注释了。 

上述机制最大的好处就是，整个过程中，永远有一个survivor space是空的，另一个非空的survivor space无碎片。

那么，Survivor为什么不分更多块呢？比方说分成三个、四个、五个?显然，如果Survivor区再细分下去，每一块的空间就会比较小，很容易导致Survivor区满，因此，我认为两块Survivor区是经过权衡之后的最佳方案。

参考：
http://blog.csdn.net/antony9118/article/details/51425581

http://stackoverflow.com/questions/21476348/java-gc-why-two-survivor-spaces

六、有关年轻代的JVM参数

1)-XX:NewSize和-XX:MaxNewSize（jdk1.3or1.4）

用于设置年轻代的大小，建议设为整个堆大小的1/3或者1/4,两个值设为一样大。

2)-Xmn（jdk1.4or lator）

用于设置年轻代大小。例如：-Xmn10m，设置新生代大小为10m。此处的大小是（eden+ 2 survivor space).与jmap -heap中显示的New gen是（eden+1 survivor space）不同的。

3)-XX:SurvivorRatio

用于设置Eden和其中一个Survivor的比值，默认比例为8（Eden）：1（一个survivor），这个值也比较重要。

例如：-XX:SurvivorRatio=4：设置年轻代中Eden区与Survivor区的大小比值。设置为4，则两个Survivor区与一个Eden区的比值为2:4，一个Survivor区占整个年轻代的1/6。

例子：-XX:SurvivorRatio=8，则两个Survivor区与一个Eden区的比值为2:8，一个Survivor区占整个年轻代的1/10。

package com.jvm.study.part3;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class GCTest {

    private static final int _1MB = 1024 * 1024;
    
    /**
     * @VM args:-verbose:gc -Xms20m -Xmx20m -Xmn10m -XX:SurvivorRatio=8
     */
    public static void testAllocation() {
        byte[] allocation1, allocation2, allocation3, allocation4;
        allocation1 = new byte[2 * _1MB];
        System.out.println("1");
        allocation2 = new byte[2 * _1MB];
        System.out.println("2");
        allocation3 = new byte[2 * _1MB];
        System.out.println("3");
        allocation4 = new byte[2 * _1MB];
        System.out.println("4");
        
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(30);
        testAllocation();
    }

}

结果：

1
2
3
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 7136K->632K(9216K)] 7136K->6784K(19456K), 0.0084250 secs] [Times: user=0.01 sys=0.01, real=0.01 secs] 
[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 632K->0K(9216K)] [ParOldGen: 6152K->6635K(10240K)] 6784K->6635K(19456K), [Metaspace: 2562K->2562K(1056768K)], 0.0092126 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
4
Heap
 PSYoungGen      total 9216K, used 2290K [0x00000000ff600000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
  eden space 8192K, 27% used [0x00000000ff600000,0x00000000ff83c960,0x00000000ffe00000)
  from space 1024K, 0% used [0x00000000ffe00000,0x00000000ffe00000,0x00000000fff00000)
  to   space 1024K, 0% used [0x00000000fff00000,0x00000000fff00000,0x0000000100000000)
 ParOldGen       total 10240K, used 6635K [0x00000000fec00000, 0x00000000ff600000, 0x00000000ff600000)
  object space 10240K, 64% used [0x00000000fec00000,0x00000000ff27afa8,0x00000000ff600000)
 Metaspace       used 2569K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 277K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K

 

结果分析：

1、-Xmn=10m，但实际的新生代大小（PSYoungGen total 9216K）=eden大小（eden space 8192K）+1个survivor大小（from space 1024K）

4)-XX:+PrintTenuringDistribution

这个参数用于显示每次Minor GC时Survivor区中各个年龄段的对象的大小。

5).-XX:InitialTenuringThreshol和-XX:MaxTenuringThreshold

用于设置晋升到老年代的对象年龄的最小值和最大值，每个对象在坚持过一次Minor GC之后，年龄就加1。