深入理解Java虛擬機：堆詳解

作者：一安 2024-03-29 11:42:21

內存是非常重要的系統資源，是硬盤和CPU的中間倉庫及橋梁，承載著操作系統和應用程序的實時運行JVM內存布局規定了Java在運行過程中內存申請、分配、管理的策略，保證了JVM的高效穩定運行。不同的JVM對于內存的劃分方式和管理機制存在著部分差異。

前言

本節主要講的是運行時數據區（堆），也就是下圖這部分，它是在類加載完成后的階段：

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每個線程：獨立包括程序計數器、棧、本地棧
線程間共享：堆、堆外內存（永久代或元空間、代碼緩存）

當我們通過前面的：類的加載-> 驗證 -> 準備 -> 解析 -> 初始化這幾個階段完成后，就會用到執行引擎對我們的類進行使用，同時執行引擎將會使用到我們運行時數據區。

正文

我們通過磁盤或者網絡IO得到的數據，都需要先加載到內存中，然后CPU從內存中獲取數據進行讀取，也就是說內存充當了CPU和磁盤之間的橋梁。

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線程

線程是一個程序里的運行單元。JVM允許一個應用有多個線程并行的執行。在Hotspot JVM里，每個線程都與操作系統的本地線程直接映射。

當一個Java線程準備好執行以后，此時一個操作系統的本地線程也同時創建。Java線程執行終止后，本地線程也會回收。

操作系統負責所有線程的安排調度到任何一個可用的CPU上。一旦本地線程初始化成功，它就會調用Java線程中的run()方法。

JVM系統線程:

虛擬機線程：需要JVM達到安全點才會出現。這些操作必須在不同的線程中發生的,原因是他們都需要JVM達到安全點，這樣堆才不會變化。這種線程的執行類型包括stop-the-world的垃圾收集，線程棧收集，線程掛起以及偏向鎖撤銷。
周期任務線程：這種線程是時間周期事件的體現（比如中斷），他們一般用于周期性操作的調度執行。
GC線程：這種線程對在JVM里不同種類的垃圾收集行為提供了支持。
編譯線程：這種線程在運行時會將字節碼編譯成到本地代碼。
信號調度線程：這種線程接收信號并發送給JVM，在它內部通過調用適當的方法進行處理。

堆

堆針對一個JVM進程來說是唯一的，也就是一個進程只有一個JVM，但是進程包含多個線程，他們是共享同一堆空間的。

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數組和對象可能永遠不會存儲在棧上，因為棧幀中保存引用，這個引用指向對象或者數組在堆中的位置，在方法結束后，堆中的對象不會馬上被移除，僅僅在垃圾收集的時候才會被移除。

堆內存細分

Java 7及之前堆內存邏輯上分為三部分：新生區+老年區+永久區

Young Generation Space 新生區，又被劃分為Eden區和Survivor區
Tenure generation space 老年區
Permanent Space 永久區

Java 8及之后堆內存邏輯上分為三部分：新生區+老年區+元空間

Young Generation Space 新生區，又被劃分為Eden區和Survivor區
Tenure generation space 老年區
Meta Space 元空間

Jdk1.6

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Jdk1.7

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Jdk1.8

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設置堆內存大小

-Xms用于表示堆區的起始內存，等價于-XX:InitialHeapSize，默認物理電腦內存大小/64
-Xmx則用于表示堆區的最大內存，等價于-XX:MaxHeapSize，默認物理電腦內存大小/4

通常會將-Xms和-Xmx兩個參數配置相同的值，其目的是為了能夠在Java垃圾回收機制清理完堆區后不需要重新分隔計算堆區的大小，從而提高性能。

一旦堆區中的內存大小超過-Xmx所指定的最大內存時，將會拋出OutOfMemoryError異常

年輕代與老年代

存儲在JVM中的Java對象可以被劃分為兩類：

生命周期較短的瞬時對象，這類對象的創建和消亡都非常迅速。
生命周期非常長，在某些極端的情況下還能夠與JVM的生命周期保持一致。

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默認-XX:NewRatio=2，表示新生代占1，老年代占2。
Eden空間和另外兩個survivor空間缺省所占的比例是8：1：1。

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jinfo -flag NewRatio 進程號可查看相關屬性值
jinfo -flag SurvivorRatio 進程號可查看相關屬性值

對象分配過程

為新對象分配內存是一件非常嚴謹和復雜的任務，JVM的設計者們不僅需要考慮內存如何分配、在哪里分配等問題，并且由于內存分配算法與內存回收算法密切相關，所以還需要考慮GC執行完內存回收后是否會在內存空間中產生內存碎片

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new的對象先放伊甸園區。此區有大小限制。
當伊甸園的空間填滿時，程序又需要創建對象，JVM的垃圾回收器將對伊甸園區進行垃圾回收（MinorGC），將伊甸園區中的不再被其他對象所引用的對象進行銷毀，再加載新的對象放到伊甸園區。
然后將伊甸園中的剩余對象移動到幸存者s0區。
如果再次觸發垃圾回收，此時上次幸存下來的放到幸存者s0區的，如果沒有回收，就會放到幸存者s1區。
如果再次經歷垃圾回收，此時會重新放回幸存者s0區，接著再去幸存者s1區。
啥時候能去養老區呢？可以設置次數。默認是15次，進行設置-Xx:MaxTenuringThreshold= N。
在養老區，相對悠閑。當養老區內存不足時，再次觸發GC：Major GC，進行養老區的內存清理。
若養老區執行了Major GC之后，發現依然無法進行對象的保存，就會產生OOM異常。

針對幸存者s0，s1區的總結：復制之后又交換，誰空誰是to。
垃圾回收：頻繁在新生區收集，很少在老年代收集，幾乎不在永久代和元空間進行收集。

Minor GC，MajorGC、Full GC

JVM在進行GC時，并非每次都對上面三個內存區域一起回收的，大部分時候回收的都是指新生代。

針對Hotspot VM的實現，它里面的GC按照回收區域又分為兩大種類型：一種是部分收集（Partial GC），一種是整堆收集（FullGC）

部分收集：不是完整收集整個Java堆的垃圾收集。其中又分為：

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）：只是老年代的圾收集。

混合收集（MixedGC）：收集整個新生代以及部分老年代的垃圾收集。

整堆收集（Full GC）：收集整個Java堆和方法區的垃圾收集。

目前，只有CMS GC會有單獨收集老年代的行為，很多時候Major GC會和Full GC混淆使用，需要具體分辨是老年代回收還是整堆回收。
目前，只有G1 GC會有混合收集。

年輕代GC（Minor GC）觸發機制

當年輕代空間不足時，就會觸發MinorGC，這里的年輕代滿指的是Eden代滿，Survivor滿不會引發GC。（每次Minor GC會清理年輕代的內存。）
Minor GC會引發STW，暫停其它用戶的線程，等垃圾回收結束，用戶線程才恢復運行。

老年代GC（Major GC / Full GC）觸發機制

對象從老年代消失時，我們說Major GC或 Full GC發生了。
出現了Major Gc，經常會伴隨至少一次的Minor GC。
如果Major GC后，內存還不足，就報OOM。

內存分配策略

如果對象在Eden出生并經過第一次Minor GC后仍然存活，并且能被Survivor容納的話，將被移動到survivor空間中，并將對象年齡設為1。對象在survivor區中每熬過一次MinorGC，年齡就增加1歲，當它的年齡增加到一定程度（默認為15歲，其實每個JVM、每個GC都有所不同）時，就會被晉升到老年代。

對不同年齡段的對象分配原則如下所示：

優先分配到Eden
大對象直接分配到老年代（盡量避免程序中出現過多的大對象）
長期存活的對象分配到老年代
動態對象年齡判斷：如果survivor區中相同年齡的所有對象大小的總和大于Survivor空間的一半，年齡大于或等于該年齡的對象可以直接進入老年代，無須等到MaxTenuringThreshold中要求的年齡。
空間分配擔保：-XX:HandlePromotionFailure

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TLAB

為什么有TLAB

堆區是線程共享區域，任何線程都可以訪問到堆區中的共享數據。
由于對象實例的創建在JVM中非常頻繁，因此在并發環境下從堆區中劃分內存空間是線程不安全的。
為避免多個線程操作同一地址，需要使用加鎖等機制，進而影響分配速度。

什么是TLAB

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從內存模型而不是垃圾收集的角度，對Eden區域繼續進行劃分，JVM為每個線程分配了一個私有緩存區域，它包含在Eden空間內。
多線程同時分配內存時，使用TLAB可以避免一系列的非線程安全問題，同時還能夠提升內存分配的吞吐量，因此我們可以將這種內存分配方式稱之為快速分配策略。

盡管不是所有的對象實例都能夠在TLAB中成功分配內存，但JVM確實是將TLAB作為內存分配的首選。

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堆空間的參數設置

-XX:+PrintFlagsInitial  //查看所有的參數的默認初始值
-XX:+PrintFlagsFinal  //查看所有的參數的最終值（可能會存在修改，不再是初始值）
-Xms  //初始堆空間內存（默認為物理內存的1/64）
-Xmx  //最大堆空間內存（默認為物理內存的1/4）
-Xmn  //設置新生代的大小。（初始值及最大值）
-XX:NewRatio  //配置新生代與老年代在堆結構的占比
-XX:SurvivorRatio  //設置新生代中Eden和S0/S1空間的比例
-XX:MaxTenuringThreshold  //設置新生代垃圾的最大年齡
-XX:+PrintGCDetails //輸出詳細的GC處理日志
//打印gc簡要信息：①-Xx：+PrintGC ② - verbose:gc
-XX:HandlePromotionFalilure：//是否設置空間分配擔保

堆是分配對象的唯一選擇么？

隨著JIT編譯期的發展與逃逸分析技術逐漸成熟，棧上分配、標量替換優化技術將會導致一些微妙的變化，所有的對象都分配到堆上也漸漸變得不那么絕對了。

在Java虛擬機中，對象是在Java堆中分配內存的，這是一個普遍的常識。但是，有一種特殊情況，那就是如果經過逃逸分析（Escape Analysis）后發現，一個對象并沒有逃逸出方法的話，那么就可能被優化成棧上分配。這樣就無需在堆上分配內存，也無須進行垃圾回收了。這也是最常見的堆外存儲技術。

逃逸分析的基本行為就是分析對象動態作用域：

當一個對象在方法中被定義后，對象只在方法內部使用，則認為沒有發生逃逸。
當一個對象在方法中被定義后，它被外部方法所引用，則認為發生逃逸。例如作為調用參數傳遞到其他地方中。

public class EscapeAnalysis {

    public EscapeAnalysis obj;

    /**
     * 方法返回EscapeAnalysis對象，發生逃逸
     * @return
     */
    public EscapeAnalysis getInstance() {
        return obj == null ? new EscapeAnalysis() : obj;
    }

    /**
     * 為成員屬性賦值，發生逃逸
     */
    public void setObj() {
        this.obj = new EscapeAnalysis();
    }

    /**
     * 對象的作用于僅在當前方法中有效，沒有發生逃逸
     */
    public void useEscapeAnalysis() {
        EscapeAnalysis e = new EscapeAnalysis();
    }

    /**
     * 引用成員變量的值，發生逃逸
     */
    public void useEscapeAnalysis2() {
        EscapeAnalysis e = getInstance();
    }
}

使用逃逸分析，編譯器可以對代碼做如下優化：

一、棧上分配：將堆分配轉化為棧分配。如果一個對象在子程序中被分配，要使指向該對象的指針永遠不會發生逃逸，對象可能是棧上分配的候選，而不是堆上分配。
二、同步省略：如果一個對象被發現只有一個線程被訪問到，那么對于這個對象的操作可以不考慮同步。
三、分離對象或標量替換：有的對象可能不需要作為一個連續的內存結構存在也可以被訪問到，那么對象的部分（或全部）可以不存儲在內存，而是存儲在CPU寄存器中。

責任編輯：武曉燕來源：一安未來

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