JVM内存结构之堆（重要）

news2024/9/22 9:52:13

1、概述

每个JVM进程有且只有一个堆，进程内的所有线程共享这块区域，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内存结构中最大的一块区域。由于线程共享，堆也就成了JVM内存管理的核心区域。

《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。

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、堆内存细分

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

  • Young Generation 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

  • Young Generation 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

约定：新生区（代）<=>年轻代 、 养老区<=>老年区（代）、 永久区<=>永久代

3、堆空间内部结构（JDK7）

4、堆空间内部结构（JDK8）

5、设置堆内存大小与OOM

Java堆区用于存储Java对象实例，那么堆的大小在JVM启动时就已经设定好了，大家可以通过选项"-Xmx"和"-Xms"来进行设置。

  • “-Xms"用于表示堆区的起始内存，等价于-XX:InitialHeapSize

  • “-Xmx"则用于表示堆区的最大内存，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OutOfMemoryError异常。

通常会将-Xms和-Xmx两个参数配置相同的值，其目的是为了能够在ava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：物理电脑内存大小 / 64

  • 最大内存大小：物理电脑内存大小 / 4

实例：

public class OOMTest {
    public static void main(String[]args){
        ArrayList<Picture> list = new ArrayList<>();
        while(true){
            try {
                Thread.sleep(20);
            } catch (InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
            list.add(new Picture(new Random().nextInt(1024*1024)));
        }
    }
}

执行结果

Exception in thread "main" java.lang.OutofMemoryError: Java heap space
    at com.atguigu. java.Picture.<init>(OOMTest. java:25)
    at com.atguigu.java.O0MTest.main(OOMTest.java:16)

6、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，可以划分为年轻代（YoungGen）和老年代（oldGen）

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）

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。

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可以了。

7、对内对象分配过程

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。

（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（MinorGC），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

（3）、然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存者0区。

（4）、 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。

（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。

（6）、 啥时候能去养老区呢？可以设置次数。默认是15次。 可以设置参数：进行设置-Xx:MaxTenuringThreshold= N

（7）、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

（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。

总结：

  • 针对幸存者s0，s1区的总结：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，很少在老年代收集，几乎不再永久代和元空间进行收集

8、Minor GC，MajorGC、Full GC

JVM在进行GC时，并非每次都对上面三个内存区域一起回收的，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：一种是部分收集（Partial GC），一种是整堆收集（FullGC）

  • 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）：只是老年代的圾收集。

  • 目前，只有CMS这种GC算法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（MixedGC）：收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集。

  • 目前，只有G1这种GC算法会有这种行为

  • 整堆收集（Full GC）：收集整个java堆和方法区的垃圾收集。

9、最简单的分代式GC策略的触发条件

9.1、年轻代GC（Minor GC）触发机制

  • 当年轻代空间不足时，就会触发MinorGC，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。这一定义既清晰又易于理解。

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

9.2、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，我们说 “Major GC” 或 “Full GC” 发生了

  • 出现了Major Gc，经常会伴随至少一次的Minor GC（但非绝对的，在Paralle1 Scavenge收集器的收集策略里就有直接进行MajorGC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 GC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

9.3、Full GC触发机制

  • 调用System.gc()时，系统建议执行Full GC，但是不必然执行

  • 老年代空间不足

  • 方法区空间不足

  • 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

  • 由Eden区、survivor space0（From Space）区向survivor space1（To Space）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

10、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吗？

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。

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。

11、内存分配策略

如果对象在Eden出生并经过第一次Minor GC后仍然存活，并且能被Survivor容纳的话，将被移动到Survivor空间中，并将对象年龄设为1。对象在Survivor区中每熬过一次MinorGC，年龄就增加1岁，当它的年龄增加到一定程度（默认为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。

对象晋升老年代的年龄阀值，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所示：

  • 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。

  • 空间分配担保： -XX:HandlePromotionFailure

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