JVM内存结构--堆一、概述常言道：栈管运行，堆管存储。堆是java程序最主要的内存工作区域，是运行时数据区重要的一部

一、概述

常言道：栈管运行，堆管存储。堆是java程序最主要的内存工作区域，是运行时数据区重要的一部分。几乎所有的java对象实例都存放在java堆中。堆空间是所有线程共享的，这是一块与java应用密切相关的内存空间。

方法区获取相关类信息，在堆中分配内存并实例对象，栈中变量持有堆中对象的地址的引用。

理论:

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。是GC ( Garbage Collection, 垃圾收集器)执行垃圾回收的重点区域。
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。
《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。
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(ThreadLocal Allocation Buffer， TLAB)
《Java.虛拟机规范》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。(The heap is the run-time data area from which memory for all class instances and arrays is allocated )
“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。(逃逸分析利用标量替换实现堆上的对象分解为栈上的标量)
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。
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。

二、堆结构图

堆（heap）
- 新生代-MinorGC（1/3）
  - 伊甸园-Eden(8/10)
    - TLAB(1/100)
    - 伸缩区-virtual
  - 存活区-survivor(2/10)
    - from区(1/10)
    - to区(1/10)
    - 伸缩区-virtual
- 老年代（2/3）

三、jdk7和jdk8变化

1、jdk8后新变化

元空间（Metaspace）取代了永久代（PermGen），就是JDK8没有了PermSize相关的参数配置：XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 已经失效。
元空间使用本地内存（系统内存），永久代使用虚拟机堆中内存。

2、为什么废除永久代

官方文档：移除永久代是为融合HotSpot JVM与 JRockit VM而做出的努力，因为JRockit没有永久代，不需要配置永久代。
PermGen很难调整，PermGen中类的元数据信息在每次FullGC的时候可能被收集，但成绩很难令人满意（回收效率偏低）
而且应该为PermGen分配多大的空间很难确定，因为PermSize的大小依赖于很多因素，比如JVM加载的class总数，常量池的大小，方法的大小等。
并且永久代内存经常不够用发生内存泄露。

3、知识点

方法区（虚拟机规范）的实现有jdk7永久代和jdk8元空间
直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，它直接从操作系统中分配，因此不受Java堆大小的限制，但是会受到本机总内存的大小及处理器寻址空间的限制，因此它也可能导致OutOfMemoryError异常出现。在JDK1.4中新引入了NIO机制，它是一种基于通道与缓冲区的新I/O方式，可以直接从操作系统中分配直接内存，即在堆外分配内存，这样能在一些场景中提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

4、指定元空间大小

元空间的大小仅受本地内存限制，但可以通过以下参数来指定元空间的大小：

-XX:MetaspaceSize，初始空间大小，达到该值就会触发垃圾收集进行类型卸载，同时GC会对该值进行调整：如果释放了大量的空间，就适当降低该值；如果释放了很少的空间，那么在不超过MaxMetaspaceSize时，适当提高该值。
-XX:MaxMetaspaceSize，最大空间，默认是没有限制的。
-XX:MinMetaspaceFreeRatio，在GC之后，最小的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为分配空间所导致的垃圾收集
-XX:MaxMetaspaceFreeRatio，在GC之后，最大的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为释放空间所导致的垃圾收集

四、内存泄露和内存溢出区别

内存泄露（Memory Leak）：程序在申请内存使用后的对象已没有存在的意义了，但对象没有被GC所回收，它始终占用内存，内存泄漏的堆积最终会造成内存溢出。
内存溢出（Memory Overflow）：程序运行过程中无法申请到足够的内存而导致的一种错误。内存溢出通常发生于老年代垃圾回收后，仍然无内存空间容纳新的Java对象的情况。通常都是由于内存泄露导致堆栈内存不断增大，从而引发内存溢出

五、新生代和老年代

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（年轻代）
另外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（老年代）
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
如果修改-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

六、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。

new的对象先放在新生代的伊甸园区（Eden）。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和存活区进行垃圾回收(Minor GC)，将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To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To区（现在是From区），如果没有回收，就会放到幸存者To区。
年龄超过15晋升为老年区。默认是15次。
- 可以设置参数: -XX:MaxTenuringThreshold=N次进行设置。
当老年区内存不足时，再次触发GC: Major GC, 进行养老区的内存清理。
若老年区执行了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

针对幸存者s0,s1区的总结:复制之后有交换，谁空谁是to区.
关于垃圾回收:频繁在新生区收集，很少在养老区收集，几乎不在永久区，元空间收集。
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，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。

七、针对不同年龄段的对象分配原则

优先分配到Eden
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）
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。

八、三种GC的区别

JVM在进行GC时，并非每次都对上面三个内存(新生代、老年代;方法区)区域一起回收的，大部分时候回收的都是指新生代。

针对HotSpotVM的实现，它里面的GC按照回收区域又分为两大种类型:

部分收集(Partial GC):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(Eden\S0,S1)的垃圾收集。
- 老年代收集(Major GC/0ld GC):只是老年代的垃圾收集。
  - 目前，只有CMSGC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。
- 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，只有G1 GC会有这种行为
整堆收集(Fu1l GC):收集整个java堆和方法区的垃圾收集。

注意：java中Stop-The-World机制简称STW，是在执行垃圾收集算法时，Java应用程序的其他所有线程都被挂起（除了垃圾收集帮助器之外）

1、Minor GC

年轻代GC(Minor GC)触发机制:

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。)
因为Java对象大多都具备朝生夕灭的特性，所以MinorGC非常频繁，一般回收速度也比较快。
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。

2、Major GC

老年代GC (Major GC/)触发机制:

指发生在老年代的GC。
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
Major GC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上，STW的时间更长。如果Major GC后，内存还不足，就报OOM了。

注意：现在工作中“Major GC”或“Full GC”界定区别没那么严了，一般认为Full GC=Major GC，其实还是有区别的。

3、Full GC

Full GC定义是相对明确的，就是针对整个新生代、老生代、元空间（metaspace，java8以上版本取代perm gen）的全局范围的GC

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 space0 (From Space)区向survivor space1 (ToSpace)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。让用户线程的停暂时间短一些。

十、堆为什么分代

经研究，不同对象的生命周期不同。70%-99%的对象是临时对象。分开容易管理。
利于提高垃圾回收效率。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。

十一、TLAB

1、什么是TLAB

TLAB(Thread Local Allocation Buffer) 线程私有的分配缓冲区。
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。提升分配效率
所有OpenJDK衍生出来的JVM都提供了TLAB的设计。

2、为什么需要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。

3、TLAB结构图

4、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，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号，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。
在TLAB分配之后，并不影响对象的移动和回收，也就是说，虽然对象刚开始可能通过TLAB分配内存，存放在Eden区，但是还是会被垃圾回收或者被移到Survivor Space、Old Gen等。
查看是否开启TLAB:jinfo -flag UseTLAB 进程id；+号为开启，-号为未开启。

十二、逃逸分析

1、堆是分配对象存储的唯一选择吗?

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。

此外，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。

2、代码优化结论

开发中能使用局部变量的，就不要使用在方法外定义。

3、逃逸分析并不成熟

关于逃逸分析的论文在1999年就已经发表了，但直到JDK 1.6才有实现，而且这项技术到如今也并不是十分成熟的。其根本原因就是无法保证逃逸分析的性能消耗一定能高于他的消耗。虽然经过逃逸分析可以做标量替换、栈上分配、和锁消除。

但是逃逸分析自身也是需要进行一系列复杂的分析的，这其实也是一个相对耗时的过程。一个极端的例子，就是经过逃逸分析之后，发现没有一个对象是不逃逸的。那这个逃逸分析的过程就白白浪费掉了。

虽然这项技术并不十分成熟，但是它也是即时编译器优化技术中一个十分重要的手段。注意到有一些观点，认为通过逃逸分析，JVM会在栈上分配那些不会逃逸的对象，这在理论上是可行的，但是取决于JVM设计者的选择。据我所知，Oracle Hotspot JVM中并未这么做，这一点在逃逸分析相关的文档里已经说明，所以可以明确所有的对象实例都是创建在堆上。目前很多书籍还是基于JDK 7以前的版本，JDK已经发生了很大变化，intern字符串的缓存和静态变量曾经都被分配在永久代上，而永久代已经被元数据区取代。但是，intern字符串缓存和静态变量并不是被转移到元数据区，而是直接在堆上分配，所以这一点同样符合前面的结论:对象实例都是分配在堆上。没有在栈上分配，只是使用了标量替换实现的

十三、直接内存

直接内存是在java堆外的、直接向系统申请的内存空间。通常访问直接内存的速度会优于java堆。

因此出于性能的考虑，读写频繁的场合可能会考虑使用直接内存。

由于直接内存在java堆外，因此它的大小不会直接受限于Xmx指定的最大堆大小，但是系统内存是有限的，java堆和直接内存的总和依然受限于操作系统能给出的最大内存。

java的NIO库允许java程序使用直接内存。

参考博客：

本文主要内容来自于深入理解JVM（五）一一运行时数据区（堆）

尚硅谷宋红康JVM全套教程（详解java虚拟机）

JVM内存结构--堆