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JVM运行时数据区之堆空间

2023-07-22 17:37 由 coffee_baby 发表于 #后端开发

JVM运行时数据区之堆空间

1.核心概述

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。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。

《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。(The heap is the run-time data area fromwhich memory for all class instances and arrays is allocated）我要说的是:“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。一从实际使用角度看的。

  • 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。

2.内部结构

现代垃圾收集器大部分都基于分代收集理论设计，堆空间的内部结构细分为:

Java 7及之前堆内存逻辑上分为三部分:新生区+养老区+永久区

  • YoungGeneration Space 新生区 Young/New
    • 又被划分为Eden区和Survivor区
  • Tenure generation space 养老区 Old/Tenure
  • Permanent Space 永久区 Perm

Java 8及之后堆内存逻辑上分为三部分: 新生区+养老区+元空间

  • YoungGeneration Space 新生区 Young/New
    • 又被划分为Eden区和Survivor区
  • Tenure generation space 养老区 Old/Tenure
  • Meta Space 元空间 Meta

JDK7的内部结构图

变化

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

  • 另外一类对象的生命周期却非常长，在某些极端的情况下还能够与JVM的生命周期保持一致。

Java堆区进一步细分的话，可以划分为其中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)。

3.1配置

下面这参数开发中一般不会调:
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，当然开发人员可以通过选项 -XX:SurvivorRatio”调整这个空间比例。比如-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对象的销毁都在新生代进行了。IBM公司的专门研究表明，新生代中 80%的对象都是“朝生夕死”的。

4.对象分配过程

  1. 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。
  2. new的对象先放伊甸园区。此区有大小限制。
  3. 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
  4. 然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存者0区
  5. 如果再次触发垃圾回收，此时上次幸存下来的放到幸存者0区的，如果没有回收，就会放到幸存者1区。
  6. 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
  7. 什么时候能去养老区呢?可以设置次数。默认是15次。可以设置参数:-XX:MaxTenuringThreshold=N进行设置
  8. 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。
  9. 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
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

5.内存分配策略

5.1堆空间分代思想

  • 经研究，不同对象的生命周期不同。70%-99%的对象是临时对象
  • 新生代:有Eden、两块大小相同的Survivor(又称为from/to，s0/s1)构成to总为空。
  • 老年代:存放新生代中经历多次GC仍然存活的对象。

通过将堆分代，可以将生命周期较短的对象放在年轻代中，而将生命周期较长的对象放在老年代中。这样，垃圾回收器在回收时，可以针对不同代的对象采用不同的策略。对于年轻代中的对象，可以快速扫描和回收，而对于老年代中的对象，则需要经过多次垃圾回收后才能被回收。这种分代思想可以优化垃圾回收的效率，提高程序性能。

如果不分代，所有对象都放在同一代中，会导致垃圾回收效率变低，因为垃圾回收器需要扫描整个堆来查找需要回收的对象。同时，不分代也会导致内存浪费，因为一些对象虽然已经被释放，但是它们的内存空间并没有被回收。因此，分代是Java垃圾回收的重要优化策略，可以提高程序性能和可靠性。

5.2分配原则

  • 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。

6.TLAB

TLAB（Thread Local Allocation Buffer）是Java虚拟机的一种内存分配优化技术。它为每个线程分配一块私有的内存区域，称为TLAB（Thread Local Allocation Buffer），使得每个线程都拥有自己的内存空间，从而避免多线程之间的内存竞争和同步问题，提高了内存分配的效率。因为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，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

TLAB的大小是固定的，当TLAB用满时，会新申请一个TLAB，而老TLAB里的对象还留在原地，无法感知自己是否是从TLAB分配出来的。当分配一次以后内存还是不够时，会直接移入Eden区。

TLAB的优点是提高了内存分配的效率，减少了多线程之间的竞争和同步问题。但是，由于TLAB的大小是固定的，可能会出现浪费空间的情况，导致Eden区空间不连续，积少成多。因此，在创建大量对象时，应该考虑调整堆结构或使用对象池等技术来避免TLAB的缺点。

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%，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空间中分配内存。

7.堆空间常用的参数设置

oracle官网配置：
https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html

-XX:+PrintFlagsInitial : 查看所有的参数的默认初始值
-XX:+PrintFlaqsFinal   ：查看所有的参数的最终值 (可能会存在修改-XX:+PrintFlaqsFinal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:+PrintGCDetails:输出详细的GC处理日志
打印gc简要信息
-XX:+PrintGC
-verbose:gc
-XX:HandlePromotionFailure: 是否设置空间分配担保
-XX:MaxTenuringThreshold: 设置新生代垃圾的最大年龄

8.简单讲述几种GC

JVM在进行GC时，并非每次都对上面三个内存(新生代、老年代;方法区)区域一起回收的，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:

部分收集(Partial GC)：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。目前，只有G1 GC会有这种行为

一种是整堆收集 (Full GC)：收集整个java堆和方法区的垃圾收集

8.1Minor GC（年轻代GC）

  • 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)

  • 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。

  • GC会引发STW，暂停其它用户的线程，等垃圾回收结束，用户线Minor程才恢复运行。

8.2Major GC（老年代GC）

出现了Major GC，经常会伴随至少一次的Minor GC(但非绝对的，在ParallelScavenge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 G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。

8.3Full GC

触发FullGC 执行的情况有如下五种:

(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大于老年代的可用内存
(5)由Eden区、survivor space0 (From Space) 区向survivor space1(ToSpace) 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
说明: 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

9.小结

  • 年轻代是对象的诞生、成长、消亡的区域，一个对象在这里产生、应用,最后被垃圾回收器收集、结束生命。

  • 老年代放置长生命周期的对象，通常都是从survivor区域筛选拷贝过来的Java对象。当然，也有特殊情况，我们知道普通的对象会被分配在TLAB上；如果对象较大，JVM会试图直接分配在Eden其他位置上；如果对象太大，完全无法在新生代找到足够长的连续空闲空间，JVM就会直接分配到老年代

  • 当GC只发生在年轻代中，回收年轻代对象的行为被称为MinorGC。当GC发生在老年代时则被称为MajorGC 或者FulIGC。一般的，MinorGC 的发生频率要比MajorGc高很多，即老年代中垃圾回收发生的频率将大大低于年轻代。

其实堆空间并不是对象分配的唯一选择，随着JIT编译期的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙变化，下一节写关于逃逸分析的一些技术

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