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JVM _10 运行时数据区 – 堆

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目录


1.核心概述


堆的细分内存结构


2.设置堆内存大小与OOM


3.年轻代与老年代


5.Minor GC、Major GC、Full GC


6.堆空间分代思想


7.内存分配策略


8.为对象分配内存：TLAB（线程私有缓存区域）


9.小结堆空间的参数设置

1.核心概述

一个进程对应一个jvm实例，一个运行时数据区，又包含多个线程，这些线程共享了方法区和堆，每个线程包含了程序计数器、本地方法栈和虚拟机栈。

  1. 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
  2. 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）
  3. 《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==
  4. 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（TLAB:Thread Local Allocation Buffer）.（面试问题：堆空间一定是所有线程共享的么？不是，TLAB线程在堆中独有的）
  5. 《Java虚拟机规范》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。

    • 从实际使用的角度看，“几乎”所有的对象的实例都在这里分配内存 （‘几乎’是因为可能存储在栈上）
  6. 数组或对象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
  7. 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
  8. 堆，是GC(Garbage Collection，垃圾收集器)执行垃圾回收的重点区域

堆的细分内存结构

  • JDK 7以前： 新生区+养老区+永久区

    • Young Generation Space：又被分为Eden区和Survior区

      ==Young/New==
    • Tenure generation Space： ==

      Old/Tenure

      ==
    • Permanent Space： ==

      Perm

      ==

  • JDK 8以后： 新生区+养老区+元空间

    • Young Generation Space：又被分为Eden区和Survior区 ==Young/New==
    • Tenure generation Space： ==Old/Tenure==
    • Meta Space： ==Meta==

2.设置堆内存大小与OOM

  • Java堆区用于存储java对象实例，堆的大小在jvm启动时就已经设定好了，可以通过 “-Xmx”和 “-Xms”来进行设置

    • -Xms 用于表示堆的起始内存，等价于 -XX:InitialHeapSize

      • -Xms 用来设置堆空间（年轻代+老年代）的初始内存大小

        • -X 是jvm的运行参数
        • ms 是memory start
    • -Xmx 用于设置堆的最大内存，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OOM异常
  • ==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==
  • 默认情况下，初始内存大小：物理内存大小/64;最大内存大小：物理内存大小/4

    • 手动设置：-Xms600m -Xmx600m
  • 查看设置的参数：

    • 方式一： ==终端输入jps== ， 然后 ==jstat -gc 进程id==
    • 方式二：（控制台打印）Edit Configurations->VM Options 添加 ==-XX:+PrintGCDetails== 
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");//-Xms : 245M
        System.out.println("-Xmx : " + maxMemory + "M");//-Xmx : 3641M

        //系统内存大小为：15.3125G
        System.out.println("系统内存大小为：" + initialMemory * 64.0 / 1024 + "G");

        //系统内存大小为：14.22265625G
        System.out.println("系统内存大小为：" + maxMemory * 4.0 / 1024 + "G");

        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

3.年轻代与老年代

  • 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
    • 另外一类对象时生命周期非常长，在某些情况下还能与JVM的生命周期保持一致

  • Java堆区进一步细分可以分为年轻代（YoungGen）和老年代（OldGen）

  • 其中年轻代可以分为Eden空间、Survivor0空间和Survivor1空间（有时也叫frmo区，to区）

  • 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
    • 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

  • 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（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

  • 几乎所有的Java对象都是在Eden区被new出来的

  • 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）

  • 可以使用选项-Xmn设置新生代最大内存大小（这个参数一般使用默认值就好了）

5.Minor GC、Major GC、Full GC

JVM在进行GC时，并非每次都针对上面三个内存区域（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

      • 目前，只有CMS GC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，之后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

  • 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，Survivor是被动GC，不会主动GC)
    • 因为Java队形大多都具备朝生夕灭的特性，所以Monor GC 非常频繁，一般回收速度也比较快，这一定义既清晰又利于理解。
    • 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

    • 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
    • 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
    • Major GC速度一般会比Minor GC慢10倍以上，STW时间更长
    • 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，对象大小由于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，这样暂停时间会短一些

6.堆空间分代思想

为什么要把Java堆分代？不分代就不能正常工作了么

  • 经研究，不同对象的生命周期不同。70%-99%的对象都是临时对象。

    • 新生代：有Eden、Survivor构成（s0,s1 又称为from to），to总为空
    • 老年代：存放新生代中经历多次依然存活的对象
  • 其实不分代完全可以，分代的唯一理由就是优化GC性能。如果没有分代，那所有的对象都在一块，就如同把一个学校的人都关在一个教室。GC的时候要找到哪些对象没用，这样就会对堆的所有区域进行扫描，而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。

7.内存分配策略

  • 如果对象在Eden出生并经过第一次Minor GC后依然存活，并且能被Survivor容纳的话，将被移动到Survivor空间中，把那个将对象年龄设为1.对象在Survivor区中每熬过一次MinorGC，年龄就增加一岁，当它的年龄增加到一定程度（默认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
  • 针对不同年龄段的对象分配原则如下：

    • 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到老年代。无需等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄
    • 空间分配担保

      • -XX: HandlePromotionFailure

8.为对象分配内存：TLAB（线程私有缓存区域）


为什么有TLAB（Thread Local Allocation Buffer）

  • 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，淫才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


什么是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，因此我们可以将这种内存分配方式称之为快速分配策略
  • 所有OpenJDK衍生出来的JVM都提供了TLAB的设计


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，单JV明确是是将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“ 设置是够开启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%，当然我们可以通过选项 ”-XX:TLABWasteTargetPercent“ 设置TLAB空间所占用Eden空间的百分比大小
  • 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空间中分配了内存

9.小结堆空间的参数设置

  • -XX:PrintFlagsInitial: 查看所有参数的默认初始值
  • -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）

    • 具体查看某个参数的指令：

      • jps：查看当前运行中的进程
      • jinfo -flag SurvivorRatio 进程id： 查看新生代中Eden和S0/S1空间的比例
  • -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(默认15)
  • -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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