08、JVM 实战 - 堆

1、堆空间的概述

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。Java堆区在JVM启动的时候即被创建，其空间大小也就确认了。堆内存的大小是可调节的，参数-Xms，-Xmx。

堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但在逻辑上它应该被视为连续的。所有的线程共享Java堆，但这里还可以划分线程私有的缓冲区（TLAB：thread local allocation buffer）。

“几乎“所有的对象实例都在堆分配内存。有些对象可能栈上分配：逃逸分析，标量替换，但是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，引用指向对象或者数组在堆中的位置。

方法结束后，堆中的对象不会马上被移除，仅仅在垃圾回收的时候才会被移除。

• eden区满，触发GC，进行垃圾回收
• 如果堆中对象马上被回收，用户线程会受到影响，stop the world
• 堆是GC执行垃圾回收的重点区域

2、堆空间细分

Java7及之前内存逻辑上分为：

• 新生区Young Generation Space

• Eden区

• Survivor区

  • from
  • to 谁空谁是to

• 养老区Old/Tenure generation space

• 永久区Permanent

Java8及之后内存逻辑上分为：

• 新生区

• Eden区

• Survivor区

  • from/to 谁空谁是to

• 养老区

• 元空间Meta Space

-XX:+PrintGCDetails 可开启打印查看方法区实现

3、设置堆空间大小

-Xms ：小秘书表示堆空间（年轻代+老年代）的起始内存。

• -X 是JVM 的运行参数
• ms 是 memory start

-Xmx：小明星表示堆空间的最大内存，超过最大内存将抛出OOM。

通常将-Xms和-Xmx两个参数配置相同的值，目的：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。

默认情况下

• 初始内存大小为：物理电脑内存大小 / 64
• 最大内存大小为：物理电脑内存大小 / 4

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容量
        long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory() / 1024 / 1024;

        System.out.println("-Xms：" + initialMemory + "M");
        System.out.println("-Xms：" + maxMemory + "M");

        System.out.println("系统内存大小为：" + initialMemory * 64.0 / 1024 + "G");
        System.out.println("系统内存大小为：" + maxMemory * 4.0 / 1024 + "G");
    }
}

当我设置JVM参数后

运行结果：

查看堆内存信息方法：

方式一：

• jps命令 查看当前程序运行的进程
• jstat 查看JVM在gc时的统计信息 jstat -gc 进程号

方式二：-XX:+PrintGCDetails

4、新生代与老年代

Java对象划分为两类：生命周期短和长的，新生代与老年代空间默认比例 1 : 2。

• -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，ratio：比率比例的意思。
• jinfo -flag NewRatio 进程号，查看参数设定值
• 

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

• -XX:SurvivorRatio 调整Eden与Survivor区的比例，实际是6:1:1，因为有自适应机制
• -XX:-UseAdaptiveSizePolicy：-表示关闭自适应，实际没有用。直接用 -XX:SurvivorRatio=8
  

几乎所有的Java对象都是在Eden区被new出来的。

• IBM研究表明，新生代80%的对象都是朝生夕死
• -Xmn：洗面奶，设置新生代最大内存大小，如果同时设置了新生代比例与此参数冲突，则以此参数为准。

（面试常问）为什么要有新生代和老年代？

• 分代的目的：优化GC的性能（不分代完全可以）
• 若不分代–>GC需要扫描整个堆空间，分代之后–>对具体某一区域进行适合的GC
• 不同代根据其特点进行不同的垃圾回收算法–>提高回收效率（分代收集算法）

（面试常问）为什么新生代被划分为Eden和survivor？

• 如果没有survivor区，Eden区进行一次MinorGC，存活对象–>老年代–满-->MajorGC
• MajorGC消耗时间更长，影响程序执行和响应速度。
• survivor存在意义：增加进入老年代的筛选条件，减少送到老年代的对象，减少FullGC的次数。

（面试常问）为什么要设置两个survivor区？

• 如果只有一个survivor区，在第一次Eden区满进行MinorGC，存活对象放到survivor区；第二次Eden区满MinorGC–>survivor区，会产生不连续的内存，无法存放更多的对象。

• 如果设置三个四个survivor区，则每个被分配的survivor空间相对较小，很快被填满。
• 设置两个survivor区，在MinorGC时可以将Eden区和S0存活的对象以连续存储的方式存入S1区。减少碎片化。（清除阶段的复制算法）

• 复制算法也是减少碎片化的过程（减少Eden区，减少survivor区）

5、图解对象分配一般过程

1、 new的对象先放Eden区，放得下直接放入（此区有大小限制参数-Xmn一般默认）；
2、 当创建新对象，Eden空间填满，会触发一次MinorGC/YGC，将Eden不再被其他对象引用的对象进行销毁将Eden中未销毁的对象移到survive0区survive0区每个对象都有一个年龄计数器，一次回收还存在的对象，年龄加1；
3、 如果Eden有空间，加载的新对象放到Eden区（超大对象放不下入老年代）；
4、 再次eden区满，触发垃圾回收，回收eden＋survive0，幸存下来的放在survive1区，年龄加1；
5、 再垃圾回收，又会将幸存者重新放回survive0区，依次类推；
6、 超大对象放入老年代，老年代满或放不下，触发majorGC，再放不下，OOM；
7、 可以设置存活次数，默认15次，超过15次，对象将从年轻区步入老年区；

-XX:MaxTenuringThreshold=N 进行设置

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。
• 新生代采用复制算法的目的：为了减少内碎片。
• 频繁在新生区收集，很少在养老区收集，几乎不在永久区/元空间搜集

6、对象分配特殊过程

• 触发YGC，survive区就会进行回收，不会主动进行回收

幸存区满了咋办？

• 特别注意，在Eden区满了的时候，才会触发MinorGC，而幸存者区满了后，不会触发MinorGC操作
• 如果Survivor区满了后，新对象可能直接晋升老年代

（面试常问）说一下 JVM 调优的工具？

• JDK命令行
• Eclipse：Memory Analyzer Tool
• Jconsole：用于对 JVM 中的内存、线程和类等进行监控
• jvisualVM：JDK 自带的全能分析工具，可以分析：内存快照、线程快照、程序死锁、监控内存的变化、gc 变化等。
• Jprofiler
• Java Flight Recorder

7、分代收集思想 MinorGC，MajorGC，FullGC

GC按照内存回收区域分为：

• 部分收集，不是完整收集整个Java堆

• 新生代收集，MinorGC （YoungGC），新生代( Eden、S0/S1 )的垃圾收集

• 老年代收集，MajorGC/oldGC，注意很多时候MajorGC与FullGC混淆使用，具体分辨是老年代回收还是整堆回收

• 混合收集，收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集。

• 整堆收集，收集整个Java堆和方法区的垃圾收集

MinorGC的触发条件：

• Eden区满，触发MinorGC，Survivor区满不触发GC。每次MinorGC会清理年轻代（eden＋survivor）的内存
• 因为Java对象大多朝生夕灭，所以MinorGC非常频繁
• MinorGC会引发STW

老年代GC（MajorGC/FullGC）触发条件：

• 老年代空间不足，会触发MinorGC，也就是老年代空间不足，会先尝试触发MinorGC，如果之后空间还不足，则触发MajorGC或FullGC。还不足，OOM
• MajorGC的速度比MinorGC慢10倍以上，STW的时间更长

FullGC的触发机制：

1、 调用System.gc()时，系统建议执行FullGC，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MinorGC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，Survivor0区向Survivor1区复制时，对象的大小大于ToSpace可用内存，则把改对象转存到老年代，且老年代的可用内存小于该对象的大小；
6、 FullGC是开发或调优中尽量要避免的，这样暂停时间会短一些；

STW暂停其它用户的线程，等待垃圾回收线程结束，用户线程才恢复运行。

Minor GC 针对于新生区，Major GC 针对于老年区，Full GC 针对于整个堆空间和方法区。

（面试常问）简述分代垃圾回收器是怎么工作的？

• 老年代：新生代=2:1
• Eden区：from区：to区=8:1:1

1、 Eden区满，进行GC，将Eden+from区存活的对象移动到to区；
2、 清空Eden和FromSurvivor分区，from/to调换名称；
3、 对象到to区后，对象头的GC分代年龄加一，到达年龄阈值后进入老年代；to区满eden区的对象可能直接进入老年代；大对象可能直接进入老年代；
4、 老年代达到一定阈值时，进行老年代的垃圾回收（标记-压缩算法）；

（面试常问）堆空间分代思想（堆空间为什么分代）？

可以不分代，分代目的：优化GC性能，避免对所有对象进行扫描，统一对新对象进行管理

（面试常问）GC第一大任务：内存分配（第二大任务：内存回收）

如果对象再Eden出生并经过第一次MinorGC后仍然存活，并且能被Survivor区容纳，则被移动到Survivor空间中，并将对象年龄设置为1，对象在Survivor区每熬过一次MinorGC，年龄就+1，当年龄增加到一定程度（默认为15，不同Jvm，GC都所有不同）时，就会被晋升到老年代中。 -XX:MaxTenuringThreshold

内存分配策略：

• 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
• 动态对象年龄分配：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，无需等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄。

8、为对象分配内存TLAB

• Thread Local Allocation Buffer
• 堆区是线程共享区域，任何线程都可以访问到堆区的共享数据

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（指针碰撞方式分配内存）同一地址，需要使用加锁等机制，进而影响分配速度。

从内存模型而不是垃圾收集的角度，对Eden区域进行划分，JVM为每个线程分配了一个私有缓存区域，包含在Eden空间中，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，因此我们将这种内存分配方式称为快速分配策略，openjdk衍生出来的JVM都提供了TLAB的设计。

解决这个问题可以使用CAS，或者加锁。但是CAS和加锁想能都比较低，所以设计了TLAB

• TLAB结合指针碰撞实现了多线程下不加锁快速分配内存。
• TLAB在Eden园区，而且空间很小
• TLAB本质是三个指针管理的区域，start、top和end。start和end是占用位，TLAB在指针碰撞后会重新申请一个新的，l旧的空间留在原地。
• 大对象的直接在Eden Space中创建

补充：

• 尽管不是所有的对象实例都能够在TLAB中成功分配内存，但是JVM确实是将TLAB作为内存分配的首选
• 开发人员通过 -XX:UseTLAB 设置是否开启TLAB空间
• 默认情况下，TLAB空间内存非常小，仅占有整个Eden空间的1%，通过 -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，JVM就会尝试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
• HotSpot虚拟机对象探秘–>对象创建–>并发问题

9、堆空间的参数设置

（面试常问）常用的 JVM 调优的参数都有哪些？

• -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）

• 具体查看某个参数的指令：

• jps ：查看当前运行中的进程

• jinfo -flag survivorRatio 进程id

• -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=2 ：设置新生代与老年代内存比例为1:2

• -XX:SurviveRatio=8 ：设置eden区与survivor区内存比例为8:1:1

• -XX:MaxTenuringThreshold ： 设置分代年龄阈值

• -XX:+PrintGCDetails ：打印 gc 详细信息

• -XX:+PrintGC ：开启打印 gc 信息

• -XX:HandlePromotionFailure ：是否设置空间分配担保，JKD7之后这个参数不会再影响到虚拟机的空间分配担保策略，规则改为只要老年代的连续空间大于新生代对象总大小，或者历次晋升的平均大小，就会进行MinorGC，否则进行FullGC。

10、逃逸分析

（面试常问）：堆是分配对象的唯一选择吗？

• 随着JIT编译器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，将会导致一些微秒变化，所有对象分配到堆上渐渐变得不那么绝对了。
• 逃逸分析，未逃逸，栈上分配。
• 有一种特殊情况，如果经过逃逸分析后发现，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，这样无需堆上分配，也不需要垃圾回收了，也是最常见的堆外存储技术。

逃逸分析概述

• 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

• 启示：开发中使用局部变量，替代在方法外定义。

逃逸分析的代码优化分为3个部分：

1、 栈上分配：调用栈内运行，线程结束，栈空间被回收，局部变量对象也被回收无须进行垃圾回收；

实验代码

public class StackAllocation {
   
     
    public static void main(String[] args) {
   
     
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
   
     
            alloc();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("花费时间：" + (end - start));
        try {
   
     
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
   
     
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private static void alloc() {
   
     
        User user = new User();  // 未发生逃逸
    }

    private static class User {
   
     
    }
}

-Xmx1G -Xms1G -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails  // jvm参数，关闭逃逸分析

运行结果：

-Xmx1G -Xms1G -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails  // 开启逃逸分析之后

运行结果：

2、 同步策略：如果一个对象被发现只能从一个线程被访问到，对于这个对象的操作可以不考虑同步；

JIT编译器可以借助逃逸分析来判断同步块所使用的的锁对象，是否只能够被一个线程访问，而没有被发布到其他线程。如果没有，那么 JIT编译器在编译这个同步块的时候，就会取消对这部分代码的同步。这样就大大提高并发性和性能，这个取消同步的过程就叫同步省略，也叫锁消除。

3、 标量替换；

JIT编译器在编译阶段，经过逃逸分析，发现一个对象不会被外界访问，那么经过JIT优化，就会把这对象拆解成若干个成员变量来代替。

标量：无法再分解的更小的数据，如Java中原始数据类型，聚合量分解为标量。

开启逃逸分析，且未发生逃逸，对象保存到栈上，保存到局部变量表，但没有开启标量替换，所以还是在堆上，开启之后就保存在栈上。

标量替换参数：-XX:EliminateAllocations，默认打开