JVM-堆

NULL822
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概述

第08章_堆空间-java8.jpg

  • 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。
  • 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)
  • 所有的对象实例以及数组都应当在运行时分配在堆上。从实际使用角度看：“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。
  • 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。
  • 堆是GC(Garbage Collection，垃圾收集器)执行垃圾回收的重点区域。

内存细分

分为 新生区、养老区、元空间。

设置堆空间的大小

Java堆区用于存储Java对象实例，那么堆的大小在JVM启动时就已经设定好了，可以通过选项-Xmx和-Xms来进行设置。

  • -Xms用于表示堆区的起始内存，等价于-XX:InitialHeapSize
  • -Xmx则用于表示堆区的最大内存，等价于-XX:MaxHeapSize

一旦堆区中的内存大小超过-Xmx所指定的最大内存时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

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Java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。

默认情况下，

  • 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

年轻代与老年代

第08章_堆空间细节.jpg

  • 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IVM的生命周期保持一致。
  • Java堆区进一步细分的话，可以划分为年轻代(YoungGen)和老年代(OldGen)。
  • 年轻代又可以划分为Eden空间、Survivor0空间和Survivor1空间(有时也叫做from区、to区)。

各部分占比及调整

image.png

配置新生代与老年代在堆结构的占比。

  • 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
  • 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 image.png

在HotSpot中，Eden空间和另外两个Survivor空间缺省所占的比例是8:1:1，可以修改-Xx:SurvivorRatio调整这个空间比例。比如-XX:SurvivorRatio=8

对象分配的一般过程

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(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。
  • 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，此时上次放到幸存者0区的对象，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。
  • 可以设置次数决定何时去养老区。默认是15次。可以通过参数:-XX:MaxTenuringThreshold进行设置。
  • 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。

Minor GC、Major GC、Full GC

JVM在进行GC时，并非每次都对三个内存区域（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(Full GC)

  • 部分收集:不完整收集整个Java堆的垃圾收集。其中又分为:
    • 新生代收集(Minor GC/Young GC)：只是新生代的垃圾收集
    • 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。
      • 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(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(Full GC)：收集整个Java堆和方法区的垃圾收集。

新生代GC(Minor GC)触发机制

  • 当新生代空间不足时，就会触发Minor GC，这里的新生代满指的是Eden代满，而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，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。

老年代GC(Major GC/Fu11 GC)触发机制

  • 指发生在老年代的GC，对象从老年代消失时，可以说“Major Gc”或“Full GC”发生了。
  • 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。

GC触发机制

full GC是开发或调优中尽量要避免的。这样暂时时间会短一些

触发Full GC 执行的情况有如下五种:

  • 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(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。

内存分配策略

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
    • 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：垃圾回收后仍有大量对象存活，s0、s1区不能存放的数据，放不下的数据老年代要保证有空间能接受。

TLAB（Thread Local Allocation Buffer）

为什么要存在

  • 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。

TLAB

  • 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，因此可以将这种内存分配方式称之为快速分配策略。
  • 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%，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。
  • 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。

堆空间调整参数

  • -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（可能会存在修改，不再是初始值）
  • -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
  • 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

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