动画图解核心内存区 -- 堆-技术圈

端午佳节一下子就过完了，大家是不是还沉迷在假期的欢乐气氛中无法自拔？今天阿Q为大家准备了上好的“醒酒菜”——JVM运行时数据区的核心内存区——堆。

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。

安装完重启jvisualvm

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

-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。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。

图解对象分配过程

对象分配过程

new的对象先放伊甸园区，此区有大小限制；
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；
然后再加载新的对象放到伊甸园区；
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；
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；
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)；
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；
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

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；
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；
如果Old区可以存放，则存入；如果不能存入，则进行Full GC；
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；
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；
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：

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；

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

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。
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：

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小于老年代的可用内存；
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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