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JVM—堆

JAVA 西门飞冰 172℃

JVM内存结构位置

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对于JAVA应用程序来说,Java堆(Java Heap)是虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。此内存区域的 唯一目的就是存放对象实例,Java世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。

在《Java虚拟机规范》中堆Java堆的描述是:”所有的对象实例以及数组都应当在堆中分配”

堆的核心概述

  • 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实例,一个JVM实例中就有一个运行时数据区,一个运行时数据区只有一个堆和一个方法区。
  • 但是进程包含多个线程,他们是共享同一堆空间的。
  • Java堆区在JVM启动的时候即被创建,其空间大小也就确定了,堆是JVM管理的最大一块内存空间,并且堆内存的大小是可以调节的。
  • 《Java虚拟机规范》规定,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,在这里还可以划分线程私有的缓冲区(Thread Local Allocation Buffer,TLAB)。
  • 从实际使用角度看:“几乎”所有的对象实例都在堆分配内存,但并非全部。因为还有一些对象是在栈上分配的(逃逸分析,标量替换)
  • 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。
    • – 也就是触发了GC的时候,才会进行回收
    • – 如果堆中对象马上被回收,那么用户线程就会收到影响,因为有stop the word
  • 堆,是GC(Garbage Collection,垃圾收集器)执行垃圾回收的重点区域。

堆结构

• 新生代:是用来存放新生的对象,该区域对象会被频繁GC

• 老年代:新生代保存的稳定对象放入老年代,老年代不会频繁执行GC

• 元空间:内存的永久保存区域,主要存放Class元数据,几乎不会GC

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设置堆内存

/**
 * 1. 设置堆空间大小的参数
 * -Xms 用来设置堆空间(年轻代+老年代)的初始内存大小
 * -Xmx 用来设置堆空间(年轻代+老年代)的最大内存大小
 *
 * 2. 默认堆空间的大小
 *    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
 *
 * 3. 年轻代与老年代的占用比例:
 *    a. 年轻代固定占用1/3
 *    b. 老年代固定占用2/3
 *
 * 4. 手动设置:-Xms1g(m) -Xmx1g(m)
 *    a.开发中建议将初始堆内存和最大的堆内存设置成相同的值。
 *    b.Java整个堆大小设置建议,Xmx 和 Xms设置为老年代FullGC后存活对象的3-4倍
 *
 * 5. 查看设置的参数: -XX:+PrintGCDetails
 */
public class HeapSpaceSample {
    public static void main(String[] args) {
        //返回Java虚拟机中的堆内存总量
        long usedMemory = 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("堆当前占用 : " + usedMemory + "M");
        System.out.println("堆最大内存 : " + maxMemory + "M");
        /*try {
            Thread.sleep(10000000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }*/
    }
}

图解对象分配过程

绝大多数刚创建的对象会存入新生代的Eden伊甸园区

Eden与S0/S1的内存分配比例是8:1:1

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当我们Eden区满了后,就会触发GC操作,一般被称为 YGC / Minor GC操作

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当我们进行一次垃圾收集后,红色的将会被回收,而绿色的还会被占用着,存放在S0(Survivor From)区。同时我们给每个对象设置了一个年龄计数器,一次回收后就是1。

同时Eden区继续存放对象,当Eden区再次存满的时候,又会触发一个MinorGC操作,此时GC将会把 Eden和S0中的对象 进行一次收集,把存活的对象放到 Survivor S1区,同时让年龄 + 1

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我们继续不断的进行对象生成 和 垃圾回收,当Survivor中的对象的年龄达到15的时候,将会触发一次 Promotion晋升的操作,也就是将年轻代中的对象 晋升到 老年代中

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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,将会触发一些特殊的规则,也就是可能直接晋升老年代

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Minor GC,MajorGC、Full GC

• Minor GC(YGC) 针对年轻代进行回收,执行效率高

• Major GC,针对老年代回收,目前只有CMS收集器才存在Major GC.

• Full GC,全堆回收,针对年轻代/老年代/方法区进行全面收集,执行效率低下,会导致系统长时间停滞,减少Full GC是JVM优化的重点

任何GC行为都会触发STW(Stop The World全局停顿),JVM调优的主要目的就是降低GC的响应时间

堆分代思想

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。

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。(性能低)
  • 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。(多回收新生代,少回收老年代,性能会提高很多)

内存分配策略

1、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。

2、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

3、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:

1、优先分配到Eden:开发中比较长的字符串或者数组,会直接存在老年代,但是因为新创建的对象都是朝生夕死的,所以这个大对象可能也很快被回收,但是因为老年代触发Major GC的次数比 Minor GC要更少,因此可能回收起来就会比较慢

2、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

3、长期存活的对象分配到老年代

4、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。

5、空间分配担保: -XX:HandlePromotionFailure 。

TLAB为对象分配内存

问题:堆空间都是共享的么?

不一定,因为还有TLAB这个概念,在堆中划分出一块区域,为每个线程所独占

为什么有TLAB?

TLAB:Thread Local Allocation Buffer,也就是为每个线程单独分配了一个缓冲区

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

1、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

2、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

3、所有OpenJDK衍生出来的JVM都提供了TLAB的设计。

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1、每个线程都有一个TLAB空间

2、当一个线程的TLAB存满时,可以使用公共区域(蓝色)的

TLAB再说明

1、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

2、在程序中,开发人员可以通过选项“-XX:UseTLAB”设置是否开启TLAB空间。

3、默认情况下,TLAB空间的内存非常小,仅占有整个Eden空间的1%,当然我们可以通过选项“-XX:TLABWasteTargetPercent”设置TLAB空间所占用Eden空间的百分比大小。

4、一旦对象在TLAB空间分配内存失败时,JVM就会尝试着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。

TLAB分配过程

对象首先是通过TLAB开辟空间,如果不能放入,那么需要通过Eden来进行分配

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