醒酒菜：動(dòng)畫圖解核心內(nèi)存區(qū)--堆
端午佳節(jié)一下子就過完了，大家是不是還沉迷在假期的歡樂氣氛中無法自拔？今天阿Q為大家準(zhǔn)備了上好的“醒酒菜”——JVM運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的核心內(nèi)存區(qū)——堆。
堆的概述
一般來說：
一個(gè) Java程序的運(yùn)行對應(yīng)一個(gè)進(jìn)程；一個(gè)進(jìn)程對應(yīng)著一個(gè) JVM實(shí)例（JVM的啟動(dòng)由引導(dǎo)類加載器加載啟動(dòng)），同時(shí)也對應(yīng)著多個(gè)線程；一個(gè) JVM實(shí)例擁有一個(gè)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)（Runtime類，為餓漢式單例類）；一個(gè)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)中的堆和方法區(qū)是多線程共享的，而本地方法棧、虛擬機(jī)棧、程序計(jì)數(shù)器是線程私有的。
堆空間差不多是最大的內(nèi)存空間，也是運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)最重要的內(nèi)存空間。堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間，但在邏輯上它應(yīng)該被視為連續(xù)的。
在方法結(jié)束后，堆中的對象不會(huì)馬上被移除，僅僅在垃圾收集的時(shí)候才會(huì)被移除。堆，是GC(Garbage Collection，垃圾收集器)執(zhí)行垃圾回收的重點(diǎn)區(qū)域。
堆內(nèi)存大小設(shè)置
堆一旦被創(chuàng)建，它的大小也就確定了，初始內(nèi)存默認(rèn)為電腦物理內(nèi)存大小的1/64，最大內(nèi)存默認(rèn)為電腦物理內(nèi)存的1/4，但是堆空間的大小是可以調(diào)節(jié)，接下來我們來演示一下。
準(zhǔn)備工具
JDK自帶內(nèi)存分析的工具:在已安裝JDK的bin目錄下找到jvisualvm.exe。打開該軟件，下載插件Visual GC，一定要點(diǎn)擊檢查最新版本，否則會(huì)導(dǎo)致安裝失敗。
安裝完重啟jvisualvm
代碼樣例
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設(shè)置
-Xms10m用于表示堆區(qū)的起始內(nèi)存為10m，等價(jià)于-XX:InitialHeapSize；-Xmx10m用于表示堆區(qū)的最大內(nèi)存為10m，等價(jià)于-XX:MaxHeapSize；其中 -X是JVM的運(yùn)行參數(shù)，ms是memory start
?通常會(huì)將
?-Xms和-Xmx兩個(gè)參數(shù)配置相同的值，其目的就是為了能夠在java垃圾回收機(jī)制清理完堆區(qū)后不需要重新分隔計(jì)算堆區(qū)的大小，從而提高性能。
啟動(dòng)程序
啟動(dòng)程序之后去jvisualvm查看
一旦堆區(qū)中的內(nèi)存大小超過-Xmx所指定的最大內(nèi)存時(shí)，將會(huì)拋出OOM(Out Of MemoryError)異常。
堆的分代
存儲在JVM中的java對象可以被劃分為兩類：
一類是生命周期較短的瞬時(shí)對象，這類對象的創(chuàng)建和消亡都非常迅速； 另一類是生命周期非常長，在某些情況下還能與 JVM的生命周期保持一致；
堆區(qū)分代
經(jīng)研究表明70%-99%的對象屬于臨時(shí)對象，為了提高GC的性能，Hotspot虛擬機(jī)又將堆區(qū)進(jìn)行了進(jìn)一步劃分。
如圖所示，堆區(qū)又分為年輕代（YoungGen）和老年代（OldGen）；其中年輕代又分為伊甸園區(qū)（Eden）和幸存者區(qū)（Survivor）；幸存者區(qū)分為幸存者0區(qū)（Survivor0，S0）和幸存者1區(qū)（Survivor1，S1），有時(shí)也叫from區(qū)和to區(qū)。
?分代完成之后，GC時(shí)主要檢測新生代
?Eden區(qū)。
「統(tǒng)一概念：」
新生區(qū)<=>新生代<=>年輕代
養(yǎng)老區(qū)<=>老年區(qū)<=>老年代
幾乎所有的Java對象都是在Eden區(qū)被new出來的，有的大對象在該區(qū)存不下可直接進(jìn)入老年代。絕大部分的Java對象都銷毀在新生代了（IBM公司的專門研究表明，新生代80%的對象都是“朝生夕死”的）。
新生代與老年代在堆結(jié)構(gòu)的占比
默認(rèn)參數(shù) -XX:NewRatio=2，表示新生代占1，老年代占2，新生代占整個(gè)堆的1/3；可以修改 -XX:NewRatio=4，表示新生代占1，老年代占4，新生代占整個(gè)堆的1/5;
?該參數(shù)在開發(fā)中一般不會(huì)調(diào)整，如果生命周期長的對象偏多時(shí)可以選擇調(diào)整。
?
Eden與Survivor在堆結(jié)構(gòu)的占比
在HotSpot中，Eden空間和另外兩個(gè)Survivor空間所占的比例是8：1：1（測試的時(shí)候是6：1：1），開發(fā)人員可以通過選項(xiàng)-XX:SurvivorRatio調(diào)整空間比例，如-XX:SurvivorRatio=8
?可以在
?cmd中通過jps 查詢進(jìn)程號-> jinfo -flag NewRatio(SurvivorRatio) + 進(jìn)程號查詢配置信息
-Xmn設(shè)置新生代最大內(nèi)存大?。J(rèn)就好），如果既設(shè)置了該參數(shù)，又設(shè)置了NewRatio的值，則以該參數(shù)設(shè)置為準(zhǔn)。
查看設(shè)置的參數(shù)
以上邊的代碼為例：設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)-XX:+PrintGCDetails；可在cmd窗口中輸入jps查詢進(jìn)程號，然后通過jstat -gc 進(jìn)程id指令查看進(jìn)程的內(nèi)存使用情況。
圖解對象分配過程
對象分配過程
new的對象先放伊甸園區(qū)，此區(qū)有大小限制； 當(dāng)伊甸園的空間填滿時(shí)，程序繼續(xù)創(chuàng)建對象， JVM的垃圾回收器將對伊甸園區(qū)進(jìn)行垃圾回收（Minor GC，也叫YGC)：將伊甸園區(qū)中的不再被其他對象所引用的對象進(jìn)行銷毀，將未被銷毀的對象移動(dòng)到幸存者0區(qū)并分配age；然后再加載新的對象放到伊甸園區(qū)； 如果再次觸發(fā)垃圾回收，將此次未被銷毀的對象和上一次放在幸存者0區(qū)且此次也未被銷毀的對象一齊移動(dòng)到幸存者一區(qū)，此時(shí)新對象的 age為1，上次的對象的age加1變?yōu)?；如果再次經(jīng)歷垃圾回收，此時(shí)會(huì)重新放回幸存者0區(qū)，接著再去幸存者1區(qū)， age也隨之增加；默認(rèn)當(dāng) age為15時(shí)，未被回收的對象將移動(dòng)到老年區(qū)?？梢酝ㄟ^設(shè)置參數(shù)來更改默認(rèn)配置：-XX:MaxTenuringThreshold=<N>；該過程稱為晉升（promotion)；在養(yǎng)老區(qū)，相對悠閑，當(dāng)老年區(qū)內(nèi)存不足時(shí)，再次觸發(fā)GC（ Major GC），進(jìn)行養(yǎng)老區(qū)的內(nèi)存清理；若養(yǎng)老區(qū)執(zhí)行了 Major GC之后發(fā)現(xiàn)依然無法進(jìn)行對象的保存，就會(huì)產(chǎn)生OOM異常。
?S0，S1滿時(shí)不會(huì)觸發(fā)
?YGC，但是YGC會(huì)回收S0，S1的對象。
「總結(jié)」
針對幸存者s0，s1區(qū)：復(fù)制之后有交換，誰空誰是to； 關(guān)于垃圾回收：頻繁在新生區(qū)收集，很少在養(yǎng)老區(qū)收集，幾乎不再永久區(qū)/元空間收集。
對象特殊情況分配過程
新對象申請內(nèi)存，如果 Eden放的下，則直接存入Eden；如果存不下則進(jìn)行YGC；YGC之后如果能存下則放入Eden，如果還存不下（為超大對象），則嘗試存入Old區(qū)；如果 Old區(qū)可以存放，則存入；如果不能存入，則進(jìn)行Full GC；Full GC之后如果可以存入Old區(qū)，則存入；如果內(nèi)存空間還不夠，則OOM；圖右側(cè)為 YGC的流程圖：當(dāng)YGC之后未銷毀的對象放入幸存者區(qū)，此時(shí)如果幸存者區(qū)的空間可以裝下該對象，則存入幸存者區(qū)，否則，直接存入老年代；當(dāng)在幸存者區(qū)的對象超過閾值時(shí)，可以晉升為老年代，未達(dá)到閾值的依舊在幸存者區(qū)復(fù)制交換。
內(nèi)存分配策略
針對不同年齡段的對象分配原則如下：
優(yōu)先分配到 Eden；大對象直接分配到老年代：盡量避免程序中出現(xiàn)過多的大對象； 長期存活的對象分配到老年代； 動(dòng)態(tài)對象年齡判斷：如果 Survivor區(qū)中相同年齡的所有對象大小的總和大于Survivor空間的一半，年齡大于或等于該年齡的對象可以直接進(jìn)入到老年代。無需等到MaxTenuringThreshold中要求的年齡；
數(shù)值變小原理
代碼樣例，設(shè)置參數(shù):-Xms600m，-Xmx600m
public class HeapSpaceInitial {
public static void main(String[] args) {
//返回Java虛擬機(jī)中的堆內(nèi)存總量
long initialMemory = Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024 / 1024;
//返回Java虛擬機(jī)試圖使用的最大堆內(nèi)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();
}
}
}
//執(zhí)行結(jié)果
-Xms : 575M
-Xmx : 575M
明明設(shè)置的600M，怎么變成575M了呢？這是因?yàn)樵诙褍?nèi)存存取數(shù)據(jù)時(shí)，新生代里邊只有伊甸園和幸存者1區(qū)或者是幸存者2區(qū)存儲對象，所以會(huì)少一個(gè)幸存者區(qū)的內(nèi)存空間。
GC
JVM進(jìn)行GC時(shí)，并非每次都對新生代、老年代、方法區(qū)（永久代、元空間）這三個(gè)區(qū)域一起回收，大部分回收是指新生代。
針對HotSpot VM的實(shí)現(xiàn)，它里面的GC按照回收區(qū)域又分為兩大種類型：一種是部分收集（Partial GC），一種是整堆收集（Full GC）
Partial GC
部分收集：不是完整收集整個(gè)Java堆的垃圾收集。其中又分為：
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）：收集整個(gè)新生代以及部分老年代的垃圾收集，只有 G1 GC（按照region劃分新生代和老年代的數(shù)據(jù)）會(huì)有這種行為。
目前，只有CMS GC會(huì)有單獨(dú)收集老年代的行為；很多時(shí)候Major GC會(huì)和Full GC 混淆使用，需要具體分辨是老年代回收還是整堆回收。
Full GC
整堆收集（Full GC）：整個(gè)java堆和方法區(qū)的垃圾收集。
觸發(fā)機(jī)制
年輕代GC（Minor GC）觸發(fā)機(jī)制
當(dāng)年輕代空間不足時(shí)，就會(huì)觸發(fā) Minor GC，這里的年輕代滿指的是Eden代滿，Survivor滿不會(huì)引發(fā)GC。(每次Minor GC會(huì)清理年輕代的內(nèi)存，Survivor是被動(dòng)GC，不會(huì)主動(dòng)GC)因?yàn)?code style="overflow-wrap: break-word;margin-right: 2px;margin-left: 2px;font-family: "Operator Mono", Consolas, Monaco, Menlo, monospace;word-break: break-all;color: rgb(53, 148, 247);background: rgba(59, 170, 250, 0.1);padding-right: 2px;padding-left: 2px;border-radius: 2px;height: 21px;line-height: 22px;">Java對象大多都具備“朝生夕滅”的特性，所以 Minor GC非常頻繁，一般回收速度也比較快。Minor GC會(huì)引發(fā)STW（Stop The World），暫停其他用戶的線程，等垃圾回收結(jié)束，用戶線程才恢復(fù)運(yùn)行。
老年代GC(Major GC/Full GC)觸發(fā)機(jī)制
指發(fā)生在老年代的 GC，對象從老年代消失時(shí)，Major GC或者Full GC發(fā)生了；出現(xiàn)了 Major GC，經(jīng)常會(huì)伴隨至少一次的Minor GC（不是絕對的，在Parallel Scavenge收集器的收集策略里就有直接進(jìn)行Major GC的策略選擇過程），也就是老年代空間不足時(shí)，會(huì)先嘗試觸發(fā)Minor GC。如果之后空間還不足，則觸發(fā)Major GC；Major GC速度一般會(huì)比Minor GC慢10倍以上，STW時(shí)間更長；如果 Major GC后，內(nèi)存還不足，就報(bào)OOM了。
Full GC觸發(fā)機(jī)制
觸發(fā)Full GC執(zhí)行的情況有以下五種：
調(diào)用 System.gc()時(shí)，系統(tǒng)建議執(zhí)行Full GC，但是不必然執(zhí)行；老年代空間不足； 方法區(qū)空間不足； 通過 Minor GC后進(jìn)入老年代的平均大小小于老年代的可用內(nèi)存；由 Eden區(qū)，Survivor S0（from）區(qū)向S1（to）區(qū)復(fù)制時(shí)，對象大小大于To Space可用內(nèi)存，則把該對象轉(zhuǎn)存到老年代，且老年代的可用內(nèi)存小于該對象大小。
??
Full GC是開發(fā)或調(diào)優(yōu)中盡量要避免的，這樣暫停時(shí)間會(huì)短一些。
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