醒酒菜：動畫圖解核心內存區--堆

端午佳節一下子就過完了，大家是不是還沉迷在假期的歡樂氣氛中無法自拔？今天阿Q為大家准備了上好的“醒酒菜”——JVM運行時數據區的核心內存區——堆。

堆的概述

一般來說：

• 一個Java程序的運行對應一個進程；
• 一個進程對應着一個JVM實例（JVM的啟動由引導類加載器加載啟動），同時也對應着多個線程；
• 一個JVM實例擁有一個運行時數據區（Runtime類，為餓漢式單例類）；
• 一個運行時數據區中的堆和方法區是多線程共享的，而本地方法棧、虛擬機棧、程序計數器是線程私有的。

堆空間差不多是最大的內存空間，也是運行時數據區最重要的內存空間。堆可以處於物理上不連續的內存空間，但在邏輯上它應該被視為連續的。

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，是GC(Garbage Collection，垃圾收集器)執行垃圾回收的重點區域。

堆內存大小設置

堆一旦被創建，它的大小也就確定了，初始內存默認為電腦物理內存大小的1/64，最大內存默認為電腦物理內存的1/4，但是堆空間的大小是可以調節，接下來我們來演示一下。

准備工具

JDK自帶內存分析的工具:在已安裝JDK的bin目錄下找到jvisualvm.exe。打開該軟件，下載插件Visual GC，一定要點擊檢查最新版本，否則會導致安裝失敗。

安裝完重啟jvisualvm

代碼樣例

public class HeapDemo {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("start...");
        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("end...");
    }
}

IDEA設置

• -Xms10m用於表示堆區的起始內存為10m，等價於-XX:InitialHeapSize；
• -Xmx10m用於表示堆區的最大內存為10m，等價於-XX:MaxHeapSize；
• 其中-X是JVM的運行參數，ms是memory start

通常會將-Xms和-Xmx兩個參數配置相同的值，其目的就是為了能夠在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。

啟動程序

啟動程序之后去jvisualvm查看

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OOM(Out Of MemoryError)異常。

堆的分代

存儲在JVM中的java對象可以被划分為兩類：

• 一類是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；
• 另一類是生命周期非常長，在某些情況下還能與JVM的生命周期保持一致；

堆區分代

經研究表明70%-99%的對象屬於臨時對象，為了提高GC的性能，Hotspot虛擬機又將堆區進行了進一步划分。

如圖所示，堆區又分為年輕代（YoungGen）和老年代（OldGen）；其中年輕代又分為伊甸園區（Eden）和幸存者區（Survivor）；幸存者區分為幸存者0區（Survivor0，S0）和幸存者1區（Survivor1，S1），有時也叫from區和to區。

分代完成之后，GC時主要檢測新生代Eden區。

統一概念：

新生區<=>新生代<=>年輕代

養老區<=>老年區<=>老年代

幾乎所有的Java對象都是在Eden區被new出來的，有的大對象在該區存不下可直接進入老年代。絕大部分的Java對象都銷毀在新生代了（IBM公司的專門研究表明，新生代80%的對象都是“朝生夕死”的）。

新生代與老年代在堆結構的占比

• 默認參數-XX:NewRatio=2，表示新生代占1，老年代占2，新生代占整個堆的1/3；
• 可以修改-XX:NewRatio=4，表示新生代占1，老年代占4，新生代占整個堆的1/5;

該參數在開發中一般不會調整，如果生命周期長的對象偏多時可以選擇調整。

Eden與Survivor在堆結構的占比

在HotSpot中，Eden空間和另外兩個Survivor空間所占的比例是8：1：1（測試的時候是6：1：1），開發人員可以通過選項-XX:SurvivorRatio調整空間比例，如-XX:SurvivorRatio=8

可以在cmd中通過jps 查詢進程號-> jinfo -flag NewRatio(SurvivorRatio) + 進程號 查詢配置信息

-Xmn設置新生代最大內存大小（默認就好），如果既設置了該參數，又設置了NewRatio的值，則以該參數設置為准。

查看設置的參數

以上邊的代碼為例：設置啟動參數-XX:+PrintGCDetails；可在cmd窗口中輸入jps查詢進程號，然后通過jstat -gc 進程id指令查看進程的內存使用情況。

圖解對象分配過程

對象分配過程

1. new的對象先放伊甸園區，此區有大小限制；
2. 當伊甸園的空間填滿時，程序繼續創建對象，JVM的垃圾回收器將對伊甸園區進行垃圾回收（Minor GC，也叫YGC)：將伊甸園區中的不再被其他對象所引用的對象進行銷毀，將未被銷毀的對象移動到幸存者0區並分配age；
3. 然后再加載新的對象放到伊甸園區；
4. 如果再次觸發垃圾回收，將此次未被銷毀的對象和上一次放在幸存者0區且此次也未被銷毀的對象一齊移動到幸存者一區，此時新對象的age為1，上次的對象的age加1變為2；
5. 如果再次經歷垃圾回收，此時會重新放回幸存者0區，接着再去幸存者1區，age也隨之增加；
6. 默認當age為15時，未被回收的對象將移動到老年區。可以通過設置參數來更改默認配置：-XX:MaxTenuringThreshold=<n>；該過程稱為晉升（promotion)；
7. 在養老區，相對悠閑，當老年區內存不足時，再次觸發GC（Major GC），進行養老區的內存清理；
8. 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。

S0，S1滿時不會觸發YGC，但是YGC會回收S0，S1的對象。

總結

• 針對幸存者s0，s1區：復制之后有交換，誰空誰是to；
• 關於垃圾回收：頻繁在新生區收集，很少在養老區收集，幾乎不再永久區/元空間收集。

對象特殊情況分配過程

1. 新對象申請內存，如果Eden放的下，則直接存入Eden；如果存不下則進行YGC；
2. YGC之后如果能存下則放入Eden，如果還存不下（為超大對象），則嘗試存入Old區；
3. 如果Old區可以存放，則存入；如果不能存入，則進行Full GC；
4. Full GC之后如果可以存入Old區，則存入；如果內存空間還不夠，則OOM；
5. 圖右側為YGC的流程圖：當YGC之后未銷毀的對象放入幸存者區，此時如果幸存者區的空間可以裝下該對象，則存入幸存者區，否則，直接存入老年代；
6. 當在幸存者區的對象超過閾值時，可以晉升為老年代，未達到閾值的依舊在幸存者區復制交換。

內存分配策略

針對不同年齡段的對象分配原則如下：

1. 優先分配到Eden；
2. 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；
3. 長期存活的對象分配到老年代；
4. 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於Survivor空間的一半，年齡大於或等於該年齡的對象可以直接進入到老年代。無需等到MaxTenuringThreshold中要求的年齡；

數值變小原理

代碼樣例，設置參數:-Xms600m，-Xmx600m

public class HeapSpaceInitial {
    public static void main(String[] args) {

        //返回Java虛擬機中的堆內存總量
        long initialMemory = Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024 / 1024;
        //返回Java虛擬機試圖使用的最大堆內存量
        long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory() / 1024 / 1024;

        System.out.println("-Xms : " + initialMemory + "M");
        System.out.println("-Xmx : " + maxMemory + "M");
        
        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
//執行結果
-Xms : 575M
-Xmx : 575M

明明設置的600M，怎么變成575M了呢？這是因為在堆內存存取數據時，新生代里邊只有伊甸園和幸存者1區或者是幸存者2區存儲對象，所以會少一個幸存者區的內存空間。

GC

JVM進行GC時，並非每次都對新生代、老年代、方法區（永久代、元空間）這三個區域一起回收，大部分回收是指新生代。

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（Full GC）

Partial GC

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）：只是老年代的垃圾收集；
• 混合收集（Mixed GC）：收集整個新生代以及部分老年代的垃圾收集，只有G1 GC （按照region划分新生代和老年代的數據）會有這種行為。

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。

Full GC

整堆收集（Full GC）：整個java堆和方法區的垃圾收集。

觸發機制

年輕代GC（Minor GC）觸發機制

1. 當年輕代空間不足時，就會觸發Minor GC，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，Survivor是被動GC，不會主動GC)
2. 因為Java對象大多都具備“朝生夕滅”的特性，所以Minor GC非常頻繁，一般回收速度也比較快。
3. Minor GC會引發STW（Stop The World），暫停其他用戶的線程，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

1. 指發生在老年代的GC，對象從老年代消失時，Major GC或者Full GC發生了；
2. 出現了Major GC，經常會伴隨至少一次的Minor GC（不是絕對的，在Parallel Scavenge收集器的收集策略里就有直接進行Major GC的策略選擇過程），也就是老年代空間不足時，會先嘗試觸發Minor GC。如果之后空間還不足，則觸發Major GC；
3. Major GC速度一般會比Minor GC慢10倍以上，STW時間更長；
4. 如果Major GC后，內存還不足，就報OOM了。

Full GC觸發機制

觸發Full GC執行的情況有以下五種：

1. 調用System.gc()時，系統建議執行Full GC，但是不必然執行；
2. 老年代空間不足；
3. 方法區空間不足；
4. 通過Minor GC后進入老年代的平均大小小於老年代的可用內存；
5. 由Eden區，Survivor S0（from）區向S1（to）區復制時，對象大小大於To Space可用內存，則把該對象轉存到老年代，且老年代的可用內存小於該對象大小。

Full GC是開發或調優中盡量要避免的，這樣暫停時間會短一些。

以上就是今天的所有內容了，如果你有不同的意見或者更好的idea，歡迎聯系阿Q：qingqing-4132，阿Q期待你的到來！

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