jvm-堆詳解

1.堆概述

方法區和堆是線程共享的，是每個進程唯一的，一個java程序對應一個進程，一個進程對應jvm實例，一個jvm實例擁有一個單例的運行時數據區，堆是java內存管理的核心區域

• 堆的大小可以被調節，通過-Xms和-Xmx參數調節
• 堆在jvm啓動時即創建，空間大小也就隨之確定
• 所有線程共享堆，可以設置線程私有緩衝區TLAB(文章稍後介紹)
• 堆在物理上不連續，在邏輯上連續，方法區是堆的邏輯上的一部分

2.堆內存細分

java堆是垃圾收集器管理的內存區域，故也叫GC堆，從內存回收的角度看，現代垃圾收集器大部分是基於分代收集理論設計的，所以java堆中會經常出現如圖所示的內存劃分（新生代包括伊甸區和倖存區），根據不同jdk版本（以jdk8劃分），堆內存劃分也不同：

2.1設置堆內存大小

• -Xms：堆起始內存，相當於-XX：InitialHeapSpace
• -Xmx：堆最大內存，相當於-XX：MaxHeapSpace

一般情況下將這兩個參數的值設爲相同，當堆區的內存超出設置的最大內存時，將會拋出OutOfMemoryError異常，jvm在計算堆內存的方式與我們不同，比如我們計算堆內存是新生代+老年代，而jvm則是不同，如圖所示，堆內存爲600m，jvm計算出來只有575m

2.2新生代和老年代

在上面我們提到了，新生代分爲Eden，Survivor(S0,S1/From Survivor,To Survivor)區,爲什麼這樣劃分呢？原因是java中的對象生命週期導致：

• 對於生命週期較短的對象，創建和消亡都非常迅速
• 某些對象生命週期很長，甚至可以與jvm生命週期一致

新生代與老年代在堆中內存佔比: -XX:NewRation=2,表示新生代佔1，老年代佔2
關於新生代中Eden和Survivor區的內存劃分：：-XX：Survivor=8，默認情況下Eden和sos1的劃分是8：1：1
以上兩個參數一般不需要調整，這裏需要說明的是：

• 幾乎所有的對象都是在Eden區被new出來的，且絕大部分的對象的銷燬都在新生代中進行
• 在養老區，當內存不足時，會觸發Major GC，對老年代的對象進行垃圾回收，如果還是內存不足，則會產生OOM異常

3.對象分配過程

• 1.對象優先在Eden中分配
• 2.當Eden空間填滿時，程序還要繼續創建對象，這是會觸發YGC/Minor GC對新生代（Eden和Survivor）進行垃圾回收，將Eden中沒有引用的對象銷燬，再創建新的對象到Eden中
• 3.在Minor GC回收後的Eden中，沒有被銷燬的對象移動到Survivor0中
• 4.若Eden區滿了再次觸發垃圾回收，並且垃圾回收過後，此前在Survivor0中仍然存在的對象會被移到Survivor1中，經歷多次移動，達到jvm規定的閾值(15次)，就會被移動到養老區了，至於閾值，可以通過：-XX:MaxTenuringThreshold=< N >進行設置

注意：Eden滿了會觸發Minor GC，而Survivor區滿了不會觸發，且Minor GC會對新生代進行垃圾回收,且垃圾回收在新生代頻繁進行，很少在養老區蒐集，幾乎不再方法區蒐集

3.1對象分配特殊情況

在創建對象的時候，會遇到一些特殊情況，比如在創建一個非常大的對象的時候，因爲是在Eden中創建，當對象的大小大於Eden區的大小，會觸發垃圾回收，在回收後仍然無法存放對象，一般會去老年區嘗試存放，老年區比Eden內存空間大，如果老年區也無法存放就會拋出OOM異常，下面這張圖清晰的展示了遇到特殊情況時JVM的處理過程

4.幾種垃圾收集比較

在jvm進行垃圾回收時，會根據內存區域的不同進行垃圾回收，以HotSpot VM爲例，它的GC按照回收區域劃分爲部分收集(Partial gc)和整堆收集(Full GC)

• 部分收集
  • 新生代收集：Minor GC/Young GC,新生代的垃圾收集
  • 老年代收集：Major GC/Old GC，老年代的垃圾收集，只有CMS GC會有單獨收集老年代的行爲
  • 混合收集(Mixed GC)：收集整個新生代和部分老年代的垃圾收集，目前只有G1 GC有這種行爲
• 整堆收集(Full GC):收集整個java堆和方法區的垃圾收集

下面分別介紹這幾種垃圾收集機制，這裏只是簡單介紹這些機制的用處，並不會深入解析

4.1Minor GC

• 當年輕代空間（Eden）空間不足時會觸發Minor GC，Survivor滿不會觸發Minor GC
• 因爲Java對象大多都具備朝生夕死的特徵，所以Minor GC非常頻繁，所以垃圾回收主要發生在新生代
• Minor GC會引發STW，暫停其他用戶線程，當垃圾回收結束，用戶線程才恢復運行

4.2Major GC

即老年代GC觸發機制、

• 當對象從老年代消失，我們就會說Major GC或Full GC
• 出現Major GC，經常會伴隨至少一次的Minor GC(當老年代空間不足時，會先嚐試觸發Minor GC，如果之後空間還不足，就會觸發Major GC)
• Major GC的速度一般比Minor GC慢10倍以上，STW時間更長
• Major GC之後內存還不足，就會OOM

4.3Full GC

當出現以下幾種情況會觸發Full GC

• 調用System.gc()
• 老年代空間不足
• 方法區空間不足
• 通過Minor GC後進入老年代的平均大小大於老年代的可用內存
• 由Eden，S0（From區）向S1（To區）複製時，對象大小大於To區可用內存，則把對象轉入老年代，且老年代可用空間大小小於該對象大小

5.爲什麼要分代

前面我們說過，不同對象的生命週期不同，且70%-99%的對象都是臨時對象，如果不分代，就相當於將所有對象放在一塊管理，這樣對GC性能影響太大，而分代的唯一理由就是優化GC性能，新生代存儲的對象大多都是朝生夕死，這個區域也是GC最頻繁的地區，類似數據庫連接池對象則放在老年代，這樣的分代管理就大大優化GC性能

6.本地線程緩衝TLAB

6.1爲什麼要有TLAB(Thread Local Allocation Buffer)

我們都知道堆是線程共享的，並且對象在虛擬機中的創建是非常頻繁的，在併發情況下是不安全的，比如正在給A對象分配內存，指針還沒來得及修改，對象B又使用了原來的指針，解決這個問題有兩種方式，一種是對分配空間的動作進行同步，這種方式影響分配速度，另一種就是每個線程在堆中預先分配一小塊內存，稱爲本地線程分配緩衝

6.2什麼是TLAB

從內存模型的角度來看，在堆中的Eden區域，jvm爲每個線程分配了一小塊空間，如圖所示

通過TLAB,可以避免一些線程安全問題，因爲每個線程的對象創建銷燬都是在本地線程的TLAB空間中進行，屬於線程私有，不會造成併發問題，並且能夠提升內存分配的吞吐量，因此這種內存分配方式被稱爲快速分配策略，JVM將TLAB作爲內存分配的首選，我們可以在程序中通過-XX:UseTLAB設置是否開啓TLAB空間

默認情況下，TLAB空間的內存非常小，僅佔有整個Eden空間的1%，通過選項-XX:TLABWasteTargetPertcent重新設置所佔Eden空間百分比,一旦對象在TLAB空間分配內存失敗，JVM就會嘗試通過加鎖機制確保數據操作的原子性，從而直接在Eden空間中分配內存

7.堆是否是對象存儲的唯一選擇

到目前爲止我們所說的對象都是在堆上創建的，在《深入理解Java虛擬機》中有這樣一段描述：

隨着JIT編譯期的發展和逃逸分析技術逐漸成熟，棧上分配，標量替換優化技術將會導致一些微妙的變化，所有的對象都分配到堆上也漸漸變得不那麼絕對了

言外之意，通過其他技術類似逃逸分析技術的發展，對象可以不只分配在對上，也可以在棧上分配了

那麼什麼是逃逸分析

7.1逃逸分析

舉個例子

class Demo{
    void fun(){
        Demo d = new Demo();
    }
}

在fun方法中過的對象僅僅作用在這個方法內，即沒有逃逸到方法外，對於這種對象，可以將其分配到棧上，隨着方法的結束進行彈棧，棧空間被移除，對象也就被銷燬，不存在GC問題，所以經過逃逸分析，我們可以對代碼進行多種優化方式

7.2棧上分配

和在逃逸分析中舉得例子一樣， 對象儘可能的寫成局部變量的方式，可以避免垃圾回收，提高程序性能，但值得注意的是：

• 逃逸技術並不是很成熟，且HotSpot虛擬機並沒有採用逃逸分析技術，所以到目前爲止，所有的對象還是分配到java堆上的

7.3同步省略

線程的同步往往會帶來程序性能的下降，舉個例子：

未發生逃逸的對象可以省略同步代碼塊，進而提高性能

7.4標量分配

首先要知道什麼是標量(Scalar),值無法再分解的數據，對應着java的原始數據，與之相對的就叫做聚合量，對象就是聚合量，看下面的代碼：

public class heapTest {
    public static void main(String[] args){
        alloc();
    }
    static void alloc(){
        Demo d = new Demo();
        System.out.println(d.x + " " + d.y);
    }
}
class Demo{
    int x;
    int y;

}

在alloc函數中，對象未發生逃逸，進而可以將代碼拆分爲：

static void alloc(){
        int x;
        int y;
        System.out.println(d.x + " " + d.y);
    }

在經過拆分後，大大減少了堆內存的佔用