深入理解Java虚拟机：堆详解-51CTO.COM

前言

本节主要讲的是运行时数据区（堆），也就是下图这部分，它是在类加载完成后的阶段：

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每个线程：独立包括程序计数器、栈、本地栈
线程间共享：堆、堆外内存（永久代或元空间、代码缓存）

当我们通过前面的：类的加载-> 验证 -> 准备 -> 解析 -> 初始化这几个阶段完成后，就会用到执行引擎对我们的类进行使用，同时执行引擎将会使用到我们运行时数据区。

内存是非常重要的系统资源，是硬盘和CPU的中间仓库及桥梁，承载着操作系统和应用程序的实时运行JVM内存布局规定了Java在运行过程中内存申请、分配、管理的策略，保证了JVM的高效稳定运行。不同的JVM对于内存的划分方式和管理机制存在着部分差异。

正文

我们通过磁盘或者网络IO得到的数据，都需要先加载到内存中，然后CPU从内存中获取数据进行读取，也就是说内存充当了CPU和磁盘之间的桥梁。

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线程

线程是一个程序里的运行单元。JVM允许一个应用有多个线程并行的执行。在Hotspot JVM里，每个线程都与操作系统的本地线程直接映射。

当一个Java线程准备好执行以后，此时一个操作系统的本地线程也同时创建。Java线程执行终止后，本地线程也会回收。

操作系统负责所有线程的安排调度到任何一个可用的CPU上。一旦本地线程初始化成功，它就会调用Java线程中的run()方法。

JVM系统线程:

虚拟机线程：需要JVM达到安全点才会出现。这些操作必须在不同的线程中发生的,原因是他们都需要JVM达到安全点，这样堆才不会变化。这种线程的执行类型包括stop-the-world的垃圾收集，线程栈收集，线程挂起以及偏向锁撤销。
周期任务线程：这种线程是时间周期事件的体现（比如中断），他们一般用于周期性操作的调度执行。
GC线程：这种线程对在JVM里不同种类的垃圾收集行为提供了支持。
编译线程：这种线程在运行时会将字节码编译成到本地代码。
信号调度线程：这种线程接收信号并发送给JVM，在它内部通过调用适当的方法进行处理。

堆

堆针对一个JVM进程来说是唯一的，也就是一个进程只有一个JVM，但是进程包含多个线程，他们是共享同一堆空间的。

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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。

堆内存细分

Java 7及之前堆内存逻辑上分为三部分：新生区+老年区+永久区

Young Generation Space 新生区，又被划分为Eden区和Survivor区
Tenure generation space 老年区
Permanent Space 永久区

Java 8及之后堆内存逻辑上分为三部分：新生区+老年区+元空间

Young Generation Space 新生区，又被划分为Eden区和Survivor区
Tenure generation space 老年区
Meta Space 元空间

Jdk1.6

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Jdk1.7

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Jdk1.8

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设置堆内存大小

-Xms用于表示堆区的起始内存，等价于-XX:InitialHeapSize，默认物理电脑内存大小/64
-Xmx则用于表示堆区的最大内存，等价于-XX:MaxHeapSize，默认物理电脑内存大小/4

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。

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

年轻代与老年代

存储在JVM中的Java对象可以被划分为两类：

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。
生命周期非常长，在某些极端的情况下还能够与JVM的生命周期保持一致。

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默认-XX:NewRatio=2，表示新生代占1，老年代占2。
Eden空间和另外两个survivor空间缺省所占的比例是8：1：1。

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jinfo -flag NewRatio 进程号可查看相关属性值
jinfo -flag SurvivorRatio 进程号可查看相关属性值

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

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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。
然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存者s0区。
如果再次触发垃圾回收，此时上次幸存下来的放到幸存者s0区的，如果没有回收，就会放到幸存者s1区。
如果再次经历垃圾回收，此时会重新放回幸存者s0区，接着再去幸存者s1区。
啥时候能去养老区呢？可以设置次数。默认是15次，进行设置-Xx:MaxTenuringThreshold= N。
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。
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。

针对幸存者s0，s1区的总结：复制之后又交换，谁空谁是to。
垃圾回收：频繁在新生区收集，很少在老年代收集，几乎不在永久代和元空间进行收集。

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。

混合收集（MixedGC）：收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集。

整堆收集（Full GC）：收集整个Java堆和方法区的垃圾收集。

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。
目前，只有G1 GC会有混合收集。

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。）
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。

老年代GC（Major GC / Full GC）触发机制

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。
如果Major GC后，内存还不足，就报OOM。

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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TLAB

为什么有TLAB

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，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。
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

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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。

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。

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堆空间的参数设置

-XX:+PrintFlagsInitial  //查看所有的参数的默认初始值
-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）
-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:MaxTenuringThreshold  //设置新生代垃圾的最大年龄
-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:HandlePromotionFalilure：//是否设置空间分配担保

堆是分配对象的唯一选择么？

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的变化，所有的对象都分配到堆上也渐渐变得不那么绝对了。

在Java虚拟机中，对象是在Java堆中分配内存的，这是一个普遍的常识。但是，有一种特殊情况，那就是如果经过逃逸分析（Escape Analysis）后发现，一个对象并没有逃逸出方法的话，那么就可能被优化成栈上分配。这样就无需在堆上分配内存，也无须进行垃圾回收了。这也是最常见的堆外存储技术。

逃逸分析的基本行为就是分析对象动态作用域：

当一个对象在方法中被定义后，对象只在方法内部使用，则认为没有发生逃逸。
当一个对象在方法中被定义后，它被外部方法所引用，则认为发生逃逸。例如作为调用参数传递到其他地方中。

public class EscapeAnalysis {

    public EscapeAnalysis obj;

    /**
     * 方法返回EscapeAnalysis对象，发生逃逸
     * @return
     */
    public EscapeAnalysis getInstance() {
        return obj == null ? new EscapeAnalysis() : obj;
    }

    /**
     * 为成员属性赋值，发生逃逸
     */
    public void setObj() {
        this.obj = new EscapeAnalysis();
    }

    /**
     * 对象的作用于仅在当前方法中有效，没有发生逃逸
     */
    public void useEscapeAnalysis() {
        EscapeAnalysis e = new EscapeAnalysis();
    }

    /**
     * 引用成员变量的值，发生逃逸
     */
    public void useEscapeAnalysis2() {
        EscapeAnalysis e = getInstance();
    }
}

使用逃逸分析，编译器可以对代码做如下优化：

一、栈上分配：将堆分配转化为栈分配。如果一个对象在子程序中被分配，要使指向该对象的指针永远不会发生逃逸，对象可能是栈上分配的候选，而不是堆上分配。
二、同步省略：如果一个对象被发现只有一个线程被访问到，那么对于这个对象的操作可以不考虑同步。
三、分离对象或标量替换：有的对象可能不需要作为一个连续的内存结构存在也可以被访问到，那么对象的部分（或全部）可以不存储在内存，而是存储在CPU寄存器中。