JVM 运行时内存空间详解——堆

JVM 运行时内存空间详解——堆

通过上一篇文章，我们大体了解了JVM的整体架构，其分为：元数据（JDK7是方法区）、堆、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器几个部分。

本篇文章，咱们对堆进行剖析，一探究竟。

1. 什么是Java 堆

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堆内存设置，Java世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。

“几乎”是指从实现角度来看JVM 运行时内存空间详解——堆， 随着Java语言的发展，现在已经能看到些许迹象表明日后可能出现值类型的支持， 即使只考虑现在， 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。

2. 堆的特点 是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。堆是jvm所有线程共享的。

堆中也包含私有的线程缓冲区 (TLAB)。在虚拟机启动的时候创建。唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例以及数组都要在这里分配内存。Java堆是垃圾收集器管理的主要区域。因此很多时候java堆也被称为“GC堆”（ Heap）。从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆还可以细分为：新生代和老年代；新生代又可以分为：Eden 空间、From 空间、To 空间。Java堆是计算机物理存储上不连续的、逻辑上是连续的，也是大小可调节的（通过-Xms和-Xmx控制）。方法结束后，堆中对象不会马上移出仅仅在垃圾回收的时候时候才移除。如果在堆中没有内存完成实例的分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出异常 3. 如何设置堆空间的大小

内存大小 -Xmx（最大）/-Xms（最小）

使用示例: – -Xms5m

说明： 当下Java应用最大可用内存为20M， 最小内存为5M

测试代码：

public class TestVm {
    public static void main(String[] args) {
        // 堆最大空间（如有设置，则和设置的最大值相同）
        System.out.print("Xmx=");
        System.out.println(Runtime.getRuntime().maxMemory() / 1024.0 / 1024 + "M");
        // 空闲空间
        System.out.print("free mem=");
        System.out.println(Runtime.getRuntime().freeMemory() / 1024.0 / 1024 + "M");
        // 总共使用空间
        System.out.print("total mem=");
        System.out.println(Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024.0 / 1024 + "M");
    }
}

在IDEA中设置堆空间：

执行结果：

可以看到，最大20M, 空闲4M多，当前使用了 6M

现在再补充两行代码，给数组分配5M，再看一下结果如何：

public class TestVm {
    public static void main(String[] args) {
        // 补充, 分配5M给数组
        byte[] b=new byte[5*1024*1024];
        System.out.println("分配了5M空间给数组");
        // 堆最大空间（如有设置，则和设置的最大值相同）
        System.out.print("Xmx=");
        System.out.println(Runtime.getRuntime().maxMemory() / 1024.0 / 1024 + "M");
        // 空闲空间
        System.out.print("free mem=");
        System.out.println(Runtime.getRuntime().freeMemory() / 1024.0 / 1024 + "M");
        // 总共申请空间
        System.out.print("total mem=");
        System.out.println(Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024.0 / 1024 + "M");
    }
}

执行结果：

可以看到，最大还是20M, 空闲4M多，当前使用变成了12M。

那么再将分配数组的5M改成10M呢？

        // 补充, 给数组分配10M
        byte[] b=new byte[10*1024*1024];
        System.out.println("分配了10M空间给数组");

可以看到，最大还是20M, 空闲4M多，当前使用变成了17M。

那么，如果再给数组分配加大到20M呢？

  // 补充, 给数组分配20M
        byte[] b=new byte[20*1024*1024];
        System.out.println("分配了20M空间给数组");

可以看到，因为堆的总大小设置的是20M, 如果再给数组分配20M, 此处自然就会报内存溢出异常。

讲了那么多，有必要解释下代码中的三个核心方法，

1.()

2.()

默认值：

含义：相当于未手动设置-Xmx和-Xms的情况下，操作系统共有4050M可以给java虚拟机申请。虚拟机挖了254M内存出来，挖出来的内存中，真正使用了4M左右，还剩余250M未使用。

以上，可以发现，其实JVM在分配内存过程中是动态的， 按需来分配的。

4. 堆的分类

现在垃圾回收器都使用分代理论,堆空间也分类如下:

在Java7 虚拟机中将Java堆内存分为3个部分：

青年代Young ：Eden（伊甸元区）、S0（幸存者0区，存放伊甸元区无法销毁的实例）、S1（幸存者1区，存放伊甸元区无法销毁的实例）

老年代Old ：S1区经过很多轮GC后，超过一定阈值，实例就会进入老年代，说明这个对象的生命周期比较长。

永久代 ： JDK7才有，JDK8换成了元空间。

在Java8以后，由于方法区的内存不再分配在Java堆上，而是存储于本地内存元空间中，所以永久代就不存在了JVM 运行时内存空间详解——堆，在2018年9月25日正式发布以后，在关于中垃圾收集器的官方文档中没有提到“永久代”，而只有青年代和老年代。

通过日志查看堆空间：

public class TestVm {
    public static void main(String[] args) {
        // 堆最大空间（如有设置，则和设置的最大值相同）
        System.out.print("Xmx=");
        System.out.println(Runtime.getRuntime().maxMemory() / 1024.0 / 1024 + "M");
        // 空闲空间
        System.out.print("free mem=");
        System.out.println(Runtime.getRuntime().freeMemory() / 1024.0 / 1024 + "M");
        // 总共使用空间
        System.out.print("total mem=");
        System.out.println(Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024.0 / 1024 + "M");
    }
}

在如上代码中，设置GC日志打印：-XX:+

选择JRE11运行

可以看到，有元空间大小的显示，每个JDK版本打印可能不相同，下面是JDK8的控制台显示

同理java堆内存设置，将JRE换成1.7，就没有元空间了

5. 年轻代和老年代

1.JVM中存储java对象可以被分为两类

1）年轻代(Young Gen)：年轻代主要存放新创建的对象，内存大小相对会比较小，垃圾回收会比较频繁。年轻代分成1个Eden Space和2个 Space（from 和to）。

2）年老代( Gen)：年老代主要存放JVM认为生命周期比较长的对象（经过几次的Young Gen的垃圾回收后仍然存在），内存大小相对会比较大，垃圾回收也相对没有那么频繁。

2.配置新生代和老年代堆结构占比

默认的，新生代 ( Young ) 与老年代 ( Old ) 的比例的值为 1:2 ( 该值可以通过参数 –XX: 来指定 )，即：新生代 ( Young ) = 1/3 的堆空间大小。老年代 ( Old ) = 2/3 的堆空间大小。

其中，新生代 ( Young ) 被细分为 Eden 和 两个 区域，这两个 区域分别被命名为 from 和 to，以示区分。

默认的，Edem : from : to = 8 : 1 : 1 ( 可以通过参数 –XX: 来设定 )，即： Eden = 8/10 的新生代空间大小，from = to= 1/10 的新生代空间大小。

JVM 每次只会使用 Eden 和其中的一块 区域来为对象服务，所以无论什么时候，总是有一块 区域 是空闲着的。因此，新生代实际可用的内存空间为 9/10 ( 即90% )的新生代空间。

案例：

/**
 * 1.设置年轻代和老年代的比例 1 : 4
 * 2.设置 伊甸园  from  to  8: 1: 1
 */
public class YoungOldTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("hello");
        Thread.sleep(3000000);
    }
}

设置以上程序的堆空间比例分配：年轻代和老年代分配比例为1：4，年轻代Eden区和区占比8：1：1

采用JDK1.8的工具 .exe查看JVM堆的大小（直接点开即可）

安装插件 GC

运行程序后，点开这里的对应程序，查看 GC窗口中堆的占用情况：

6. 对象分配过程

分配过程

1.new的对象先放在伊甸园区，该区域有大小限制 ；

2.当伊甸园区域填满时，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸园预期进行垃圾回收（Minor GC）,将伊甸园区域中不再被其他对象引用的额对象进行销毁，再加载新的对象放到伊甸园区；

3.然后将伊甸园区中的剩余对象移动到幸存者0区；

tips：

Minor GC：YGC（Young GC），即年轻代的垃圾回收。

4.如果再次触发垃圾回收（Minor GC），Eden区的对象直接放到空的幸存者1区。然后上次幸存下来放在幸存者0区的对象，如果还没有回收，也会放到幸存者1区，并且计数加1 。此时幸存者0区就空着了。

tips:

5.如果再次触发垃圾回收（Minor GC），Eden区的对象直接放到空的幸存者0区。然后上次幸存下来放在幸存者1区的对象，如果还没有回收，也会放到幸存者0区，并且计数加1 。此时幸存者1区就空着了。

6.如果累计次数到达默认的15次，这会进入养老区。

可以通过设置参数，调整阈值 -XX:=N

7.养老区内存不足时,会再次出发GC:Major GC 进行养老区的内存清理

8.如果养老区执行了Major GC后仍然没有办法进行对象的保存,就会报OOM异常。

tips：

Major GC：即老年代的垃圾回收。

图解分配对象的流程：

描述：

申请对象时，先判断Eden区域是否装得下，装不下则进行YGC（YGC后保留的对象会在S0和S1区切换存放，直至达到阈值放入老年代），进行YGC后，还装不下，则判断老年代是否装的下java堆内存设置，老年代装不下，再进行FGC（FUll GC），进行FGC后，还装不下，则报OOM异常。

7.堆GC

Java 中的堆也是 GC 收集垃圾的主要区域。GC 分为两种：一种是部分收集器（ GC）另一类是整堆收集器（Full GC）

部分收集器: 不是完整收集java堆的的收集器,它又分为:

年轻代GC触发条件:

老年代GC (Major GC)触发机制

触发机制:

注意：Full GC也会引发stop the world，时间非常长。调优过程中，尽量避免的执行