Java 堆空间(Heap Space)

概述

在Java程序中，堆是JVM内存空间中最大的一块，同时我们知道，每个线程都拥有一个虚拟机栈，但是堆不同，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。

在《Java虚拟机规范》中对Java堆的描述是：“所有 的对象实例以及数组都应当在堆上分配“，但是实际情况是几乎所有的对象都是分配在堆空间的，也有少部分情况比较特殊。这是因为由于即时编译技术的进步，尤其是逃逸分析技术的日渐强大，栈上分配、标量替换优化手段已经导致一些微妙的变化悄然发生，所以说Java对象实例都分配在堆上也渐渐变得不是那么绝对了。

《Java虚拟机规范》里对Java堆进行了更进一步的细致划分：“Java虚拟机的堆内存分为新生代、老年代、永久代、Eden、Survivor……”，并且会根据区域的不同设计不同的垃圾回收期(GC)。

总结一下要点：

• 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，简称 TLAB）。

• 《Java虚拟机规范》中对Java堆的描述是：所有的对象实例以及数组都应当在运行时分配在堆上。

  ➢ 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）

• 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。

  ➢ 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。

Java堆空间结构

存储在JVM中的Java对象可以被划分为两类：

• 一类对象的生命周期较短，这种对象的创建和消亡都十分迅速
• 另一类对象的生命周期很长，在某些极端情况下甚至可以和JVM的生命周期保持一致

Java堆区进一步细分的话，可以划分为年轻代（YoungGen）和老年代（oldGen）

其中年轻代又可以划分为Eden空间、Survivor0空间和Survivor1空间（有时也叫做from区、to区）

• 在默认的情况下(可以根据实际情况修改设置)，新生区占堆空间的三分之一，老年代占堆空间的三分之二。
• 在HotSpot中，Eden区空间和其他两个Survivor区空间的默认比例是 8 : 1 : 1。同时开发人员可以通果设置选项-XX:SurvivorRatio调整这个空间的比例。
• 大部分对象都是在Eden区中被创建出来的。
• 绝大多数的Java对象都在新生代中销毁(朝生暮死)

对象分配过程

对象分配是一个严谨且复杂的过程， 设计者需要考虑内存的分配，以为实际的分配与垃圾回收算法密切相关。

流程说明：

• 创建出的新对象正常先放到Eden区，但是要判断Eden空间是否足够。
  • 如果足够，就放入Eden区。
  • 如果Eden区空间不足，会对Eden区进行垃圾回收(Minor GC)，将伊甸区中不被引用的对象进行销毁操作，将新创建的对象放入Eden区。
  • 同时将Eden区存活的对象移动到Servivor0区
• 如果之后触发垃圾回收机制，在Servivor0区中存活的对象会放到Servivor1区中，在经历垃圾回收机制Servivor1区存活的对象就在移动到Servivor0区，同时对象有一个"年龄"就是经历垃圾回收的次数，当经历过15次GC时，就会将这个对象移动到Old区。
• 对于S0和S1区来讲：复制有交换，谁空谁是to
• 如果Eden区内经历过GC后存活下来的对象转移到Servivor区，但是Servivor存放不下，就将这个对象移动到Old区
• 在Old区，GC的次数相对少一些，当Old区不足时进行Major GC。
• 如果进行了Major GC后仍然无法将对象进行储存，就会报OOM

流程图：

关于GC的说明(Minor GC、Major GC、Full GC)

1. JVM的调优的一个环节，也就是垃圾收集GC，我们需要尽量的避免垃圾回收，因为在垃圾回收的过程中，容易出现STW（Stop the World）的问题，而 Major GC 和 Full GC出现STW的时间，是Minor GC的10倍以上。
2. 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（Eden，s0，s1）的垃圾收集
  • 老年代收集（Major GC/Old GC）：只是老年代的圾收集。
  • 目前，只有CMS GC会有单独收集老年代的行为。
  • 注意，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。
  • 混合收集（Mixed GC）：收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集。目前，只有G1 GC会有这种行为
• 整堆收集（Full GC）：收集整个java堆和方法区的垃圾收集。

MinorGC

• 当年轻代空间不足时，就会触发Minor GC，这里的年轻代满指的是Eden代满。Survivor满不会主动引发GC，在Eden区满的时候，会顺带触发s0区的GC，也就是被动触发GC（每次Minor GC会清理年轻代的内存）
• 因为Java对象大多都具备朝生夕灭的特性，所以Minor GC非常频繁，一般回收速度也比较快。这一定义既清晰又易于理解。
• Minor GC会引发STW（Stop The World），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

Major/Full GC

1. 指发生在老年代的GC，对象从老年代消失时，我们说 “Major Gc” 或 “Full GC” 发生了
2. 出现了MajorGC，经常会伴随至少一次的Minor GC。（但非绝对的，在Parallel Scavenge收集器的收集策略里就有直接进行MajorGC的策略选择过程）
   • 也就是在老年代空间不足时，会先尝试触发Minor GC，如果之后空间还不足，则触发Major GC
3. Major GC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上，STW的时间更长。
4. 如果Major GC后，内存还不足，就会报OOM

Major GC通常是跟full GC是等价的，收集整个GC堆。但因为HotSpot VM发展了这么多年，外界对各种名词的解读已经完全混乱了，当有人说“major GC”的时候一定要问清楚他想要指的是上面的full GC还是old GC。

Partial GC(部分GC): 并不收集整个GC堆的模式

• Young GC：只收集young gen的GC。
• Old GC：只收集old gen的GC。只有CMS的concurrent collection是这个模式。
• Mixed GC：收集整个young gen以及部分old gen的GC。只有G1有这个模式。

Full GC：收集整个堆，包括young gen、old gen、perm gen永久代 (如果存在的话）等所有部分的模式。

• young GC：当young gen中的eden区分配满的时候触发。注意young GC中有部分存活对象会晋升到old gen，所以young GC后old gen的占用量通常会有所升高。
• full GC：当准备要触发一次young GC时，如果发现统计数据说之前young GC的平均晋升大小比目前old gen剩余的空间大，则不会触发young GC而是转为触发full GC（因为HotSpot VM的GC里，除了CMS的concurrent collection之外，其它能收集old gen的GC都会同时收集整个GC堆，包括young gen，所以不需要事先触发一次单独的young GC）；或者，如果有perm gen的话，要在perm gen分配空间但已经没有足够空间时，也要触发一次full GC；或者System.gc()、heap dump带GC，默认也是触发full GC。

为对象分配内存 (TLAB)

为什么要有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。

如果有了TLAB，每个线程将自己要操控的对象放到自己的TLAB区域，就能在一定程度上避免了线程安全问题。

TLAB说明

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. 很多OpenJDK衍生出来的JVM都提供了TLAB的设计。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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分配流程图：

堆的内存划分

java堆内存划分为新生代，老年代，永久代，在jdk1.8中永久代被元空间取代。新生代又分为三个空间分别为eden,s0,s1区。

1. 新生代：使用复制清除算法，新生代每次gc都会回收大部分对象，新生代里面分成一份较大的eden空间和两份较小Survivor空间，每次只使用eden和其中一块survivor空间，每次垃圾回收的时候把存活对象复制到未使用的survivor空间中，然后清空eden空间和刚刚使用的survivor空间。eden空间和survivor空间比例为8:1:1，内存不足时发生Minor GC.
2. 老年代(Old Memory)：采用标记整理算法，老年代每次gc都只会回收少量对象。利用可达性遍历内存，把存活对象和垃圾对象进行标记，然后把存活对象全部堆在一起，清空边界以外内存。
3. 永久代(Perm)：用来存储类的元数据，也就是方法区。在jdk1.8中Perm被替换成元空间(MetaSpace)，元空间存放在本地内存中。

GC垃圾回收

java垃圾回收机制主要是回收堆和方法区的内存，这块区域的数据是被线程所共享的，而pc寄存器，java虚拟机栈，本地方法栈都是线程独有的，随着线程而产生，随着线程销毁被灭亡。

1. 可达性分析：通过GC Roots对象作为起点进行搜索，如果在GC Roots和对象之间没有可达路径，则称为对象是不可达的，不可达对象不一定会成为可回收对象。进入DEAD状态的线程还可以恢复，GC不会回收它的内存。把一些对象当做Root对象，JVM认为是不可回收的，并且Root对象引用的对象也是不可回收的。
2. 什么是root对象：虚拟机栈中引用的对象，方法区中静态属性引用的对象，方法区中常量引用的对象，本地方法栈中Native方法引用的对象。
3. 对象被回收要经历的两个阶段：
           第一阶段可达性分析，分析该对象是否可达。
           第二阶段当对象没有重写finalize()方法或者finalize()方法已经被调用过，虚拟机认为该对象不可以被救活，因此回收该对象。

虚拟机频繁full GC

full gc清理整个堆空间，包括年轻代和元空间

• 首先我们用命令查看触发gc的原因是什么jstat -gccause 进程编号
• 查看代码是否有System.gc()
• 内存检查heap inspection ,执行jmap  命令
• 如果是gc locker, 可能是程序依赖的JNI库的原因

垃圾回收算法

1. Mark-Sweep(标记-清除算法)：标记清除算法分为两个阶段，标记阶段和清除阶段。标记阶段是标记出所有需要回收的对象，回收阶段是回收所有被标记的对象的空间。容易产生内存碎片。
2. Copying(复制清除算法)：将可用的内存划分为大小相等的两块，每次只使用其中一块，当前进行垃圾回收的时候，把存活的对象全部复制到另一块中，然后把已使用的内存空间一次清空掉。不容易产生内存碎片，可用内存空间少，存活对象多的话，效率比较低。
3. Mark-Compact(标记-整理算法)：先标记存活对象，然后把存活对象向一边移动，然后清理掉边界以外的内存。不容易产生碎片，内存利用率高，存活对象多并且分散的时候，移动次数多，效率低。
4. 分代收集算法：新生代每次垃圾回收都要回收大部分对象，所有新生代采用复制算法，新生代里面分成一份较大的eden空间和两份较小的survivor空间，每次只使用Eden和其中一块Survivor空间，然后垃圾回收的时候，把存活对象放到未使用的survivor空间，然后清空eden空间和刚使用的survivor空间。

垃圾回收类型

1. Minor GC：从年轻代回收内存。
2. Major GC: 清理整个老年代，当eden区内存不足时触发。
3. Full GC: 清理整个堆空间，包括年轻代和老年代，当老年代内存不足时触发。

jvm优化

1. 一般来说当Survior区不够大或者占用量达到50%，就会把一些对象放到老年区。通过设置合理的eden区，survior区及使用率，可以将年轻对象保存在年轻代，从而避免full GC, 使用-Xmn设置年轻代的大小。
2. 对于占用内存比较大的对象，一般会选择在老年代分配内存。如果在年轻代给对象分配内存，内存不够了，就要在eden区移动大量对象到老年代，然后这些移动的对象可能很快消亡，英雌导致full GC。XX:PetenureSizeThreshold=1000000B,标明对象大小超过1M，将在老年代分配内存。
3. 一般情况下年轻对象存放在eden区，当一次gc后，对象还存活的话，放在survior区。此后每次gc年龄加一，当对象的年龄到达指定的阈值，就会被存放到老年区中，这个阈值可以通过-XX:MaxTenuringThreshold设置。
4. 设置最小堆和最大堆，-Xmx和-Xms稳定的堆大小对垃圾回收是有利的。设置-Xmx和-Xms的值一样，可以减少gc次数。虽然减少了gc次数但是增加了gc的时间。                                                                                                                                    -XX:MinHeapFreeRatio参数用于设置堆空间的最小空闲比率，默认40，当堆空间空闲内存比率少于40，jvm会扩展堆。        -XX:MaxHeadFreeRatio参数用于设置堆空间的最大空闲比率，默认70，当堆空间空闲内存比率大于70，jvm会压缩堆。
5. 、通过增加吞吐量提高系统性能，可以通过设置并行垃圾回收器。                                                                                              -XX:+UseParallelGC: 年轻代使用并行垃圾回收收集器。                                                                                                          -XX:+UseParallelOldGC: 设置老年代使用并行垃圾回收收集器。
6. 使用大的内存分页。-XX:+LargePageSizeInBytes设置内存页的大小。
7. 使用非占用的垃圾收集器。-XX:+UseConcMarkSweepGC老年代使用CMS收集器降低停顿。
8. -XXSurvivorRatio=3,表示年轻代中的分配比率survivor:eden= 2:3
9. jvm性能调优工具
     jps：输出jvm中运行的进程状态信息。jconsole
     jstack: 查看java进程内存线程的堆栈信息。
     jmap: 用于生成堆转存快照。
     jhat: 用于分析jmap生成的快照。Ecplise Memory Analyzer替代
     jstat: jvm统计监测工具。
     VisualVM: 故障处理工具。