JVM运行时堆内存如何分代？ | 话题写作

Sunny_Chen
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📖前言

手执烟花以谋生 心怀诗意以谋爱

不论我是否去记录，在往昔与未来的无限岁月中，仍会有人奋起，有人沉沦，有人成为英雄，有人扮演小丑，有人挺身而出，有人迷惘沉沦。但这个国家仍会生生不息)，有如亿万年来波澜壮阔的长河。

🚀堆

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  • 堆空间时JVM内存中运行时数据区中非常重要的内存空间,也是最大的内存空间(现在的方法区的空间时使用物理内存,也很大,不参与比较)。
  • 堆也是JVM内存占用最大，管理最复杂的一个区域。其唯一的用途就是存放对象实例：几乎所有的对象实例及数组都在对上进行分配。1.7后，字符串常量池从永久代中剥离出来，存放在堆中。堆有自己进一步的内存分块划分，按照GC分代收集角度的划分请参见上图。

先看看堆内存在JVM中的位置。

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JDK1.8 JVM运行时内存数据区域划分：绿色--线程隔离 白色--线程共享

1.8同1.7比，最大的差别就是：元数据区取代了永久代。元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元数据空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。

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🤞1. 堆的核心概述(重要)

  • 堆是线程共享，进程唯一的。
    • 怎么理解这个进程唯一？在程序运行时，就可以创建一个JVM的实例，而在JVM实例中又会创建一个唯一的堆内存。因此在进程中堆也是唯一的。但是一个进程中可能包含着多个线程，堆内存是线程间共享的。
  • 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。
  • Java堆区在JVM启动的时候创建，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。（后期是可以通过参数来设置分配堆内存的大小）
  • 《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，但是逻辑上它应该被视为连续的。
    • 堆内存是JVM中比较大的一块内存区域，在逻辑上连续的好处是，如果有比较大的对象，那我们直接分配一块比较大的内存地址就可以了，但是物理内存往往是不连续的，因为但是这也是可以实现的，因为我们即使分配的物理内存是不连续的，我们仍然可以使用地址映射（地址映射表）的方式组成一块较大的内存实现对于大的对象的内存分配。
  • 所有的线程共享Java堆，在这里还可以划分线程私有的缓存区（Threa Local Allpcation Buffer ，TLAB）
    • 避免了堆中的数据都是线程共享的而导致线程同步的问题，而在TLAB空间内为每个线程都分配一些空间，是线程私有的。
  • Java虚拟机规范中Java堆的描述：所有的对象实例都应该在堆上分配空间。
    • 实际上，是几乎所有的对象，还是有部分的对象并不是在堆上分配对象的。（在JVM的更新迭代中，为了性能的提升，引入了逃逸分析，也就是说如果在栈方法中的对象是否发生了逃逸，如果没有发生逃逸的话，那么就可以在栈中分配对象）。
  • 数组和对象可能永远不会存储在栈上，因为栈上保存引用，指向堆中对象或者数组的位置。
  • 在方法结束后，堆中的对象不会马上移除，仅仅在垃圾收集的时候才会被移除。
    • 也就是说，方法执行之后，可能堆中的对象和数组已经没有任何人引用它，但是它并不会立即被移除，而是等待垃圾回收线程进行回收。这里要和栈中的数据进行区分。栈不考虑垃圾回收，也正是因为出栈之后，就自动的回收。
    • 不会立即执行垃圾回收是为了性能考虑，不希望经常的进行垃圾回收，因为在垃圾回收时是可能发生 stop the world。那么原本的线程（用户线程）就停滞，等待垃圾回收机制进行完毕。这里也提到了GC和用户线程是否能并发执行的问题。
  • 堆，是GC（Garbage Collection垃圾收集器）执行垃圾回收的终点。

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  • 查看进程的内存大小
    • 使用java自带的监控工具 visualVM 可以监控堆内存的使用情况(也可以在idea的插件库搜索 visualVM)
  • 堆的细分内存结构（重要）
    • 现代垃圾收集器大部分都是基于分代收集理论设计的，堆空间细分：
      • Java7 及之前堆内存逻辑上分为三部分：新生区+老年区+永久区
      • Java8 及之后堆内存逻辑上分为三部分：新生代+老生代+元空间

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🐱‍🏍堆内存分代

  • 约定：新生区= 新生代=年轻代

  • 约定：养老区=老年区=老年代

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  • 约定：永久区=元空间
  • 逻辑上包括三部分:但是事实上我们现在讲的堆的内存只包含新生代和老生代的内存,而元空间(永久代)的内存在方法区中，并不受到堆的管理。

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  • 老年代 ： 三分之二的堆空间

  • 年轻代 ： 三分之一的堆空间

  • eden区： 8/10 的年轻代空间

  • survivor0 : 1/10 的年轻代空间

  • survivor1 : 1/10 的年轻代空间(from 区)

  • 命令行上执行如下命令，查看所有默认的jvm参数 java -XX:+PrintFlagsFinal -version

  • 默认情况下：新生代：老年代 = 1:2

    • 也就是说，堆区的内存，老年代占2/3，新生代占1/3。这个参数在开发中一般是不会修改的，但是JVM提供了修改的命令 -XX:NewRatio 代表的是老生代和新生代的比例,默认值是2可以修改: -XX:NewRatio=1

  • 设置新生代中Eden和Survivor区的比例

    • 在JAVA的JVM文档中注明,默认的比例(Eden:Survivor0:Survivor1)为8:1:1。但是多次的通过命令行（jps jstat -gc 进程id）得到的比例还是6:1:1,后面查阅了相关资料,发现JVM是有自适应的堆内存分配可能导致的

然后配置了关闭自适应分配,发现问题还是没有解决

-XX:-UseAdaptiveSizePolicy

如果我们希望JVM的新生代的分区空间大小比例为8:1:1,需要显式的去指定。

-XX:SurvivorRatio=8

  • 几乎所有的对象都在Eden区分配的。
    • 例外就是:假如分配的对象特别大,在Eden区不能很好的分配,那就会直接在老年代分配
  • 绝大部分的Java对象的销毁都发生在新生代

😎新生代 Eden 与两个 Survivor 区

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  • JVM 根据对象在内存中存活时间的长短，把堆内存分为新生代（包括一个 Eden区 、两个 Survivor区 ）和 老年代（Tenured或Old） 。Perm代 （永久代，Java 8开始被“元空间”取代）属于方法区了，而且仅在 Full GC 时被回收。
  • 为对象分配空间，就是把一块确定大小的内存从堆中划分出来（有一种例外情况，就是有可能经过 JIT优化编译 后，对象被拆分成标量类型从而变成了栈上分配）。新创建的对象主要分配在新生代的 Eden区 上，如果 JVM 启动了本地线程分配缓冲（TLAB，Thread Local Allocation Buffer），则对象将按线程优先分配在 TLAB 上，此区域仍然位于新生代的Eden区内。

🚀对象优先分配在Eden区

大部分情况下，对象会在新生代的 Eden区 中分配空间，当 Eden区 没有足够大小的连续空间来分配给新创建的对象时，JVM 将会触发一次Minor GC

HotSpot 的开发人员将GC执行分为比较模糊的三种模型：

  • Minor GC：发生在新生代，回收新生代中的垃圾，速度很快但也很频繁
  • Major GC：发生在老年代，比Minor GC慢10倍以上；通常会伴随一次Minor GC
  • Full GC：回收所有区域，包括堆内存、方法区（Java 8之前的“永久代”，Java 8开始取代永久代的“元空间”）和直接内存，速度慢，工作线程的暂停时间长

绝大多数对象所占的内存空间会在Minor GC中被回收（IBM公司的专门研究表明，新生代中的对象98%是“朝生夕死”的），那些存活下来的对象会被分配到某一个Survivor（幸存区，名字也很形象），但如果Survivor的空间不足以安置存活对象的话，JVM会通过“空间分配担保机制”提前转移这些对象到老年代去。

  1. 新生代中为什么有 两个Survivor区？为什么每次只使用其中一个呢？

这跟新生代采用的垃圾回收算法有关，新生代用的是“复制”算法，该算法的特点是牺牲一定的空间成本，来换取高效率的垃圾回收，此算法不会产生内存碎片，回收后内存比较规整。关于各回收算法的细节，下一个章节再介绍，这里就不累赘了。

  1. “空间分配担保”是什么？

在发生Minor GC之前，JVM会先检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象总空间，如果这个条件成立，那么Minor GC可以确保是安全的。如果不成立，则JVM会查看 HandlePromotionFailure 设置值是否允许担保失败。若允许，那么会继续检查老年代最大可用的连续空间是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小，如果大于，将尝试进行一次Minor GC，尽管这次Minor GC是有风险的；如果小于，或者 HandlePromotionFailure 设置不允许冒险，那这时要改为进行一次Full GC。

1. 为什么存在年轻代

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。

2. 年轻代中的GC

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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8：1 ,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。

3. 一个对象的一生

我是一个 java对象 ，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。

大对象直接进去老年代

大对象就是那些需要大量连续内存空间的对象，比如数组及很长的字符串。过多的大对象容易导致当内存空间仍然还有不少时就会提前触发GC以获取足够连续的空间来分配给这些大对象。
虚拟机提供了一个参数-XX:PretenureSizeThreshold，那些大于这个参数值的对象将直接在老年代分配，避免在Eden区和两个Survivor区之间发生大量的内存复制（新生代采用的是“复制”垃圾回收算法）。

下面这个示例代码指定一个Survivor区域容量大小为4MB，同时设置-XX:PretenureSizeThreshold=3145728，即3MB，之后创建一个略大于3MB的对象。运行此程序后，从VisualVM GC中可以看到此对象被分配到了老年代。

/**
 * -Xmn16m -Xms30m -Xmx30m -XX:SurvivorRatio=2 -XX:+UseParNewGC -XX:PretenureSizeThreshold=3145728 -XX:-UseTLAB
 *
 * Fixed Heap: 30MB
 *    - Survivor * 2: 4MB * 2
 *    - Eden: 8MB
 *    - Tenured: 14MB 
 */
public class BiggerThanPretenureSizeThresholdObjToOld {
 
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        System.gc(); // 尝试清除由监测工具生成的临时对象
        Thread.sleep(10000L);
 
        byte[] obj = new byte[1024 * 1024 * 3 + 1];
        boolean flag = true;
        while(flag) {
            Thread.yield();
        }
    }
 
}

对于极端情况，参数 -XX:PretenureSizeThreshold 未设置，而对象大于Eden空间的话，则同样直接在老年代分配空间

长期存活的对象会被晋升到老年代

虚拟机在进行内存回收的时候，为了能够识别哪些对象应该继续留在新生代（某一个Survivor区）、哪些对象应该被晋升（转移）到老年代，它给每个对象定义了一个对象年龄（Age）计数器。所有在新生代出生的对象，年龄可以认为是0，此时的数值没有任何意义。当对象经过第一次Minor GC后任然存活，并且Survivor有足够的空间来容纳它的话，对象被顺利转移到Survivor中，此时对象开始拥有实际意义的年龄，为1岁。在此之后，Survivor中的对象每“熬过”一次Minor GC，年龄就会增加1岁，当达到一定的年龄阈值（默认是15岁，可通过参数-XX:MaxTenuringThreshold设置），对象就会被晋升到老年代中。老年代中的对象就没有年龄的意义了。

下面我们通过一个示例来演示一下：对象年龄达到阈值后被晋升到老年代。设置参数，固定堆大小为90MB，新生代45MB，其中Eden和Survivor各占15MB、15MB、15MB，年龄阈值为2岁。

/**
 *  -XX:+PrintGCDetails -Xmn45m -Xms90m -Xmx90m -XX:SurvivorRatio=1 -XX:MaxTenuringThreshold=2 -XX:+UseParNewGC
 *
 *  Fixed Heap: 90M
 *      - Survivor *2: 15M *2
 *      - Edeb: 15M
 *      - Tenured(Old): 45M
 */
public class AgeOlderThanTenuringThresholdObjToOld {
 
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        System.gc(); //尝试清除由监测工具生成的临时对象
 
        byte[] obj1 = new byte[1024 * 1024 * 2]; //执行完这一行之后各区使用情况: Eden[obj1]: 2/15, S0: 0/15, S1: 0/15, Old: 0/45
        byte[] obj2 = new byte[1024 * 1024 * 2]; //执行完这一行之后各区使用情况: Eden[obj1,obj2]: 4/15, S0: 0/15, S1: 0/15, Old: 0/45
        byte[] obj3 = new byte[1024 * 1024 * 12]; //对象obj3创建成功之前，虚拟机检测到Eden剩余空间(15-4=11)不足以分配给obj3，因此触发第一次Minor GC来释放空间给obj3，obj1和obj2晋升到幸存区，年龄为1，各区使用情况: Eden[obj3]: 12/15, S0: 0/15, S1[obj1(age=1),obj2(age=1)]: 4/15, Old: 0/45
        obj3 = null; //obj3不再有任何引用关联，下次GC的时候将会被回收
        byte[] obj4 = new byte[1024 * 1024 * 4]; //对象obj4创建成功之前，虚拟机检测到Eden剩余空间(15-12=3)不足以分配给obj4，因此触发第二次Minor GC来释放空间给obj4，这次GC中obj3会被回收，之后各区使用情况: Eden[obj4]: 4/15, S0:[obj1(age=2),obj2(age=2)]: 4/15, S1: 0/15, Old: 0/45
        byte[] obj5 = new byte[1024 * 1024 * 12]; //对象obj5创建成功之前，虚拟机检测到Eden剩余空间(15-4=11)不足以分配给obj5，因此触发第三次MinorGC来释放空间给obj5，这次GC中由于obj1,obj2的年龄都到达了阈值2岁，所以这两个对象将被晋升到老年代，之后各区使用情况:Eden[obj5]: 12/15, S0: 0/15, S1[obj4(age=1)]: 4/15, Old[obj1,obj2]: 4/45
    }
 
}

4. 有关年轻代的JVM参数

1)-XX:NewSize和-XX:MaxNewSize

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)-XX:SurvivorRatio

用于设置Eden和其中一个Survivor的比值，这个值也比较重要。

3)-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。

4).-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。

🎉最后

  • 更多参考精彩博文请看这里：陈永佳的博客
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