动画图解核心内存区--堆

蔚落 2022-10-07 07:53 189阅读 0赞

### 堆的概述 ###

一般来说：

*  一个`Java`程序的运行对应一个进程；
 *  一个进程对应着一个`JVM`实例（`JVM`的启动由引导类加载器加载启动），同时也对应着多个线程；
 *  一个`JVM`实例拥有一个运行时数据区（`Runtime`类，为饿汉式单例类）；
 *  一个运行时数据区中的堆和方法区是多线程共享的，而本地方法栈、虚拟机栈、程序计数器是线程私有的。

堆空间差不多是最大的内存空间，也是运行时数据区最重要的内存空间。堆可以处于物理上不连续的内存空间，但在逻辑上它应该被视为连续的。

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。

### 堆内存大小设置 ###

堆一旦被创建，它的大小也就确定了，初始内存默认为电脑物理内存大小的`1/64`，最大内存默认为电脑物理内存的`1/4`，但是堆空间的大小是可以调节，接下来我们来演示一下。

#### 准备工具 ####

`JDK`自带内存分析的工具:在已安装`JDK`的`bin`目录下找到`jvisualvm.exe`。打开该软件，下载插件`Visual GC`，一定要点击检查最新版本，否则会导致安装失败。![bb146d7a6d1b94b27f6dc5df704e7bd3.png][]

安装完重启`jvisualvm`![fc155de57acba93f017c239269e4e8ed.png][]

#### 代码样例 ####

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设置 ####

![5af68c4b63f8382cf1b343f572253b59.png][]![d1285dae32208b85e1601e79d98f8cc1.png][]

*  `-Xms10m`用于表示堆区的起始内存为10m，等价于`-XX:InitialHeapSize`；
 *  `-Xmx10m`用于表示堆区的最大内存为10m，等价于`-XX:MaxHeapSize`；
 *  其中`-X`是`JVM`的运行参数，`ms`是`memory start`

> ❝
> 
> 通常会将`-Xms`和`-Xmx`两个参数配置相同的值，其目的就是为了能够在`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。
> 
> ❞

#### 启动程序 ####

启动程序之后去`jvisualvm`查看![0626b43a00a1fb02fee578a7bb843949.png][]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`OOM`(`Out Of MemoryError`)异常。

### 堆的分代 ###

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；
 *  另一类是生命周期非常长，在某些情况下还能与`JVM`的生命周期保持一致；

#### 堆区分代 ####

经研究表明`70%-99%`的对象属于临时对象，为了提高`GC`的性能，`Hotspot`虚拟机又将堆区进行了进一步划分。![ad6cd860c9fe2afc6527fee6a68644ef.png][]如图所示，堆区又分为年轻代（`YoungGen`）和老年代（`OldGen`）；其中年轻代又分为伊甸园区（`Eden`）和幸存者区（`Survivor`）；幸存者区分为幸存者0区（`Survivor0，S0`）和幸存者1区（`Survivor1，S1`），有时也叫`from`区和`to`区。

> ❝
> 
> 分代完成之后，GC时主要检测新生代`Eden`区。
> 
> ❞

**「统一概念：」**  
新生区<=>新生代<=>年轻代  
养老区<=>老年区<=>老年代

几乎所有的`Java`对象都是在`Eden`区被`new`出来的，有的大对象在该区存不下可直接进入老年代。绝大部分的`Java`对象都销毁在新生代了（`IBM`公司的专门研究表明，新生代80%的对象都是“朝生夕死”的）。

#### 新生代与老年代在堆结构的占比 ####

*  默认参数`-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；
 *  可以修改`-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;

> ❝
> 
> 该参数在开发中一般不会调整，如果生命周期长的对象偏多时可以选择调整。
> 
> ❞

#### Eden与Survivor在堆结构的占比 ####

在`HotSpot`中，`Eden`空间和另外两个`Survivor`空间所占的比例是8：1：1（测试的时候是6：1：1），开发人员可以通过选项`-XX:SurvivorRatio`调整空间比例，如`-XX:SurvivorRatio=8`

> ❝
> 
> 可以在`cmd`中通过`jps 查询进程号-> jinfo -flag NewRatio(SurvivorRatio) + 进程号` 查询配置信息
> 
> ❞

`-Xmn`设置新生代最大内存大小（默认就好），如果既设置了该参数，又设置了`NewRatio`的值，则以该参数设置为准。

#### 查看设置的参数 ####

以上边的代码为例：设置启动参数`-XX:+PrintGCDetails`；可在cmd窗口中输入`jps`查询进程号，然后通过`jstat -gc 进程id`指令查看进程的内存使用情况。![8f256c0016bb0fe0ecc0e35af2bd41c2.png][]

### 图解对象分配过程 ###

#### 对象分配过程 ####

![ccae61e54ce8ff267d23d272f395e6f9.gif][]

1.  new的对象先放伊甸园区，此区有大小限制；
2.  当伊甸园的空间填满时，程序继续创建对象，`JVM`的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收（`Minor GC`，也叫`YGC`)：将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁，将未被销毁的对象移动到幸存者0区并分配`age`；
3.  然后再加载新的对象放到伊甸园区；
4.  如果再次触发垃圾回收，将此次未被销毁的对象和上一次放在幸存者0区且此次也未被销毁的对象一齐移动到幸存者一区，此时新对象的`age`为1，上次的对象的`age`加1变为2；
5.  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，`age`也随之增加；
6.  默认当`age`为15时，未被回收的对象将移动到老年区。可以通过设置参数来更改默认配置：`-XX:MaxTenuringThreshold=<N>`；该过程称为晋升（`promotion`)；
7.  在养老区，相对悠闲，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；
8.  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。

> ❝
> 
> S0，S1满时不会触发`YGC`，但是`YGC`会回收S0，S1的对象。
> 
> ❞

**「总结」**

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

#### 对象特殊情况分配过程 ####

![72774ac0256bab23b10ec23b502cd1aa.png][]

1.  新对象申请内存，如果`Eden`放的下，则直接存入`Eden`；如果存不下则进行`YGC`；
2.  `YGC`之后如果能存下则放入`Eden`，如果还存不下（为超大对象），则尝试存入`Old`区；
3.  如果`Old`区可以存放，则存入；如果不能存入，则进行`Full GC`；
4.  `Full GC`之后如果可以存入`Old`区，则存入；如果内存空间还不够，则`OOM`；
5.  图右侧为`YGC`的流程图：当`YGC`之后未销毁的对象放入幸存者区，此时如果幸存者区的空间可以装下该对象，则存入幸存者区，否则，直接存入老年代；
6.  当在幸存者区的对象超过阈值时，可以晋升为老年代，未达到阈值的依旧在幸存者区复制交换。

#### 内存分配策略 ####

针对不同年龄段的对象分配原则如下：

1.  优先分配到`Eden`；
2.  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；
3.  长期存活的对象分配到老年代；
4.  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到老年代。无需等到`MaxTenuringThreshold`中要求的年龄；

#### 数值变小原理 ####

代码样例，设置参数:`-Xms600m，-Xmx600m`

public class HeapSpaceInitial {
        public static void main(String[] args) {
    
            //返回Java虚拟机中的堆内存总量
            long initialMemory = Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024 / 1024;
            //返回Java虚拟机试图使用的最大堆内存量
            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();
            }
        }
    }
    //执行结果
    -Xms : 575M
    -Xmx : 575M

明明设置的600M，怎么变成575M了呢？这是因为在堆内存存取数据时，新生代里边只有伊甸园和幸存者1区或者是幸存者2区存储对象，所以会少一个幸存者区的内存空间。

### GC ###

`JVM`进行`GC`时，并非每次都对新生代、老年代、方法区（永久代、元空间）这三个区域一起回收，大部分回收是指新生代。

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`）

#### Partial GC ####

部分收集：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）：收集整个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数据）会有这种行为。

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。

#### Full GC ####

整堆收集（`Full GC`）：整个`java`堆和方法区的垃圾收集。

#### 触发机制 ####

##### 年轻代GC（Minor GC）触发机制 #####

1.  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，`Survivor`是被动`GC`，不会主动`GC`)
2.  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。
3.  `Minor GC`会引发`STW`（`Stop The World`），暂停其他用户的线程，等垃圾回收结束，用户线程才恢复运行。

##### 老年代GC(Major GC/Full GC)触发机制 #####

1.  指发生在老年代的`GC`，对象从老年代消失时，`Major GC`或者`Full GC`发生了；
2.  出现了`Major GC`，经常会伴随至少一次的`Minor GC`（不是绝对的，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`；
3.  `Major GC`速度一般会比`Minor GC`慢10倍以上，`STW`时间更长；
4.  如果`Major GC`后，内存还不足，就报`OOM`了。

##### Full GC触发机制 #####

触发Full GC执行的情况有以下五种：

1.  调用`System.gc()`时，系统建议执行`Full GC`，但是不必然执行；
2.  老年代空间不足；
3.  方法区空间不足；
4.  通过`Minor GC`后进入老年代的平均大小小于老年代的可用内存；
5.  由`Eden`区，`Survivor S0`（`from`）区向`S1`（`to`）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。

> ❝
> 
> `Full GC`是开发或调优中尽量要避免的，这样暂停时间会短一些。
> 
> ❞

以上就是今天的所有内容了。

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