[JVM学习之路]五、堆（一）堆的内存结构、参数设置、分代思想、内存分配策略及TLAB

堆（一）

一、堆的核心概述

堆的特点：

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（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（TLAB:Thread Local Allocation Buffer）.（面试问题：堆空间一定是所有线程共享的么？不是，TLAB线程在堆中独有的）

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。（如果出现逃逸分析，就有可能将对象实例存储在栈上）

6.数组或对象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。

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

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

二、堆的细分内存结构

Java8以后，永久区变成了元空间

1.堆空间大小设置

1.默认堆空间大小

初始内存大小：物理电脑内存大小/64

最大内存大小：物理电脑内存大小/4

2.设置堆空间大小

堆空间初始大小就是年轻代+老年代的内存大小

• -Xms 用来设置堆空间的初始内存大小，等价于 -XX:InitialHeapSize

  -X是jvm的运行参数

  mx是是memory start

• -Xmx 用于设置堆的最大内存，等价于 -XX:MaxHeapSize

3.手动设置

开发中建议将初始堆的内存和最大堆内存设置成同样的值，否则在扩展内存的时候GC会影响系统性能。

4.查看设置的参数

设置堆大小为600m

方式1：

jps 查询进程

jstat -gc 进程id 查询该进程的堆设置状况

方式2：

-XX:+PrintGCDetails

可以发现，实际堆大小是等于eden+survivor区的其中一个+老年区

2.堆空间OOM

常见异常，Throwable有Error，Exception

如果持续往堆内存中放入数据，如果超出设置内存大小则会无法分配堆空间，导致OOM

3.年轻代与老年代

1.概念

首先，在JVM中的Java对象可以被划分成两类：

1.生命周期较短，创建和消亡都非常迅速

2.生命周期很长，极端情况下还可能与JVM生命周期一致

Java堆区进一步细分可以分为年轻代（YoungGen）和老年代（OldGen）。生命周期较长的一般放在老年代，较短的放在年轻代；而年轻代又可以进一步划分为Eden空间、Survivor0空间与Survivor1空间（from区、to区）

2.修改分区占比

1.新生代: 老年代

默认是新生代: 老年代=1: 2；

使用-XX:NewRatio=n进行比例修改，表示新生代: 老年代=1: n

可以使用命令行jinfo -flag NewRatio 进程号查看该进程的新生代: 老年代

2.Eden:Survivor0:Survivor1

默认比例是8:1:1

而查看后发现比例是6:1:1，是因为有自适应内存分配策略，可以通过指令“-XX:-UseAdaptiveSizePolicy”关闭，或者直接使用显

式指令

使用-XX:SurvivorRatio=n进行比例修改，默认n=8

3.对象创建与销毁

几乎所有Java对象都在Eden区被new

绝大部分Java对象的销毁都在新生代进行

-Xmn可以设置新生代最大内存大小（一般使用默认值）优于命令“-XX:NewRatio”

4.对象分配过程

流程图如下

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（YGC/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

3.然后将伊甸园中的剩余的幸存对象移动到幸存者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。（只有Eden满了才会触发minorGC/youngGC,而幸存者区满了不会触发GC）

6.啥时候能去养老区呢？可以设置次数。默认是15次。·（如果满了，有可能直接去老年代）

​ 可以设置参数：-XX:MaxTenuringThreshold=进行设置。

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/Full 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。

总结：

1.针对幸存者s0,s1区：复制之后有交换，谁空谁是to。
2.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。

5.常用调优工具

1.JDK命令行

2.Eclipse：Memory Analyzer Tool

3.Jconsole

4.VisualVM

5.Jprofiler（下载Jprofiler，要在IDEA安装插件）

6.Java Flight Recorder

7.GCViewer

8.GC Easy

三、堆中GC介绍

堆中的GC有YGC/Minor GC、Major GC、Full GC

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。

按照回收区域划为部分收集和整堆收集：

• 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（Minor GC/Young GC）：只是新生代（Eden,S0/S1）的垃圾收集

  2.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

  3.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。

• 整堆收集（Full GC）：收集整个java堆和方法区的垃圾收集。(方法区中类满了也厨房)

1.年轻代GC（Minor GC）

触发机制：年轻代空间不足就会触发。

具体触发条件是Eden区满，Survivor区满不触发

触发结果：清除年轻代内存

特点：

1.因为大多数Java对象有朝生夕灭的特性，所以Minor GC频繁，回收速度快

2.当MInor GC触发会引发STW，暂停其他用户线程，等回收结束才能恢复用户线程的运行

2.老年代GC（Major GC/Full GC）

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

3.Full GC

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（类对象没有内存存储）

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，大于To Space可用内存，则把该对象转存到老年代，而老年代的可用内存小于该对象大小（就是一点存储位置都没有了）

开发和调优中尽量避免，因为时间太长了

四、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么

• 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（s0,s1 又称为from to），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。

  也就是说，将生命周期长的和生命周期短的分开，高频对生命周期短的进行GC，低频对生命周期长的进行GC，提高GC性能

五、内存分配策略总结

1.对象分配过程总结

如果对象在Eden出生并经过第一次Minor GC后依然存活，并且能被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。

2.对象分配原则

• 优先分配到Eden
• 大对象（超过Eden存储空间）直接分配到老年代
  • 我们要尽量避免程序中出现过多的大对象
• 长期存活（年龄超过阈值）的对象分配到老年代
  • -XX：MaxTenuringThreshold来设置年龄阈值，默认15
• 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而无需等到年龄阈值中要求的年龄

六、为对象分配内存（TLAB）

1.概念

为什么有TLAB（Thread Local Allocation Buffer）？

前提：堆区是线程共享区域，可以由任何线程来访问其中的数据，而JVM会频繁地创建对象实例，因此是线程不安全的。

解决方式：使用加锁等机制避免多个线程操作同一地址，但是会影响分配速度

这时TLAB应运而生

2.特点

TLAB是从内存模型而不是垃圾收集的角度对Eden区继续划分，为每个线程都分配了一个私有缓存区域

这样多线程同时分配内存可以避免一系列非线程安全问题，同时还能提升内存分配的吞吐量，又称这种内存分配方式为快速分配策略

3.TLAB说明

• 尽管不是所有的对象实例都能够在TLAB中成功分配内存，单JVM明确是是将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“ 设置是够开启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空间中分配了内存

七、堆空间的参数设置总结

• -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(命令行)：

  • 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

Java8后默认开启，只要老年代的连续空间大于新生代对象总大小或者历次晋升的平均大小就会进行Minor GC,否则将进行Full GC。