【读书会第十二期】动画图解核心内存区--堆
今天阿Q为大家准备了上好的“醒酒菜”——JVM
运行时数据区的核心内存区——堆。
堆的概述
一般来说:
- 一个
Java
程序的运行对应一个进程; - 一个进程对应着一个
JVM
实例(JVM
的启动由引导类加载器加载启动),同时也对应着多个线程; - 一个
JVM
实例拥有一个运行时数据区(Runtime
类,为饿汉式单例类); - 一个运行时数据区中的堆和方法区是多线程共享的,而本地方法栈、虚拟机栈、程序计数器是线程私有的。
堆空间差不多是最大的内存空间,也是运行时数据区最重要的内存空间。堆可以处于物理上不连续的内存空间,但在逻辑上它应该被视为连续的。
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。堆,是GC
(Garbage Collection
,垃圾收集器)执行垃圾回收的重点区域。
堆内存大小设置
堆一旦被创建,它的大小也就确定了,初始内存默认为电脑物理内存大小的1/64
,最大内存默认为电脑物理内存的1/4
,但是堆空间的大小是可以调节,接下来我们来演示一下。
准备工具
JDK
自带内存分析的工具:在已安装JDK
的bin
目录下找到jvisualvm.exe
。打开该软件,下载插件Visual GC
,一定要点击检查最新版本,否则会导致安装失败。
安装完重启jvisualvm
代码样例
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设置
-Xms10m
用于表示堆区的起始内存为10m,等价于-XX:InitialHeapSize
;-Xmx10m
用于表示堆区的最大内存为10m,等价于-XX:MaxHeapSize
;- 其中
-X
是JVM
的运行参数,ms
是memory start
通常会将
-Xms
和-Xmx
两个参数配置相同的值,其目的就是为了能够在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。
启动程序
启动程序之后去jvisualvm
查看
一旦堆区中的内存大小超过-Xmx
所指定的最大内存时,将会抛出OOM
(Out Of MemoryError
)异常。
堆的分代
存储在JVM
中的java
对象可以被划分为两类:
- 一类是生命周期较短的瞬时对象,这类对象的创建和消亡都非常迅速;
- 另一类是生命周期非常长,在某些情况下还能与
JVM
的生命周期保持一致;
堆区分代
经研究表明70%-99%
的对象属于临时对象,为了提高GC
的性能,Hotspot
虚拟机又将堆区进行了进一步划分。
如图所示,堆区又分为年轻代(YoungGen
)和老年代(OldGen
);其中年轻代又分为伊甸园区(Eden
)和幸存者区(Survivor
);幸存者区分为幸存者0区(Survivor0,S0
)和幸存者1区(Survivor1,S1
),有时也叫from
区和to
区。
分代完成之后,GC时主要检测新生代
Eden
区。
统一概念:
新生区<=>新生代<=>年轻代
养老区<=>老年区<=>老年代
几乎所有的Java
对象都是在Eden
区被new
出来的,有的大对象在该区存不下可直接进入老年代。绝大部分的Java
对象都销毁在新生代了(IBM
公司的专门研究表明,新生代80%的对象都是“朝生夕死”的)。
新生代与老年代在堆结构的占比
- 默认参数
-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; - 可以修改
-XX:NewRatio=4
,表示新生代占1,老年代占4,新生代占整个堆的1/5;
该参数在开发中一般不会调整,如果生命周期长的对象偏多时可以选择调整。
Eden与Survivor在堆结构的占比
在HotSpot
中,Eden
空间和另外两个Survivor
空间所占的比例是8:1:1(测试的时候是6:1:1),开发人员可以通过选项-XX:SurvivorRatio
调整空间比例,如-XX:SurvivorRatio=8
可以在
cmd
中通过jps 查询进程号-> jinfo -flag NewRatio(SurvivorRatio) + 进程号
查询配置信息
-Xmn
设置新生代最大内存大小(默认就好),如果既设置了该参数,又设置了NewRatio
的值,则以该参数设置为准。
查看设置的参数
以上边的代码为例:设置启动参数-XX:+PrintGCDetails
;可在cmd窗口中输入jps
查询进程号,然后通过jstat -gc 进程id
指令查看进程的内存使用情况。
图解对象分配过程
对象分配过程
- new的对象先放伊甸园区,此区有大小限制;
- 当伊甸园的空间填满时,程序继续创建对象,
JVM
的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收(Minor GC
,也叫YGC
):将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁,将未被销毁的对象移动到幸存者0区并分配age
; - 然后再加载新的对象放到伊甸园区;
- 如果再次触发垃圾回收,将此次未被销毁的对象和上一次放在幸存者0区且此次也未被销毁的对象一齐移动到幸存者一区,此时新对象的
age
为1,上次的对象的age
加1变为2; - 如果再次经历垃圾回收,此时会重新放回幸存者0区,接着再去幸存者1区,
age
也随之增加; - 默认当
age
为15时,未被回收的对象将移动到老年区。可以通过设置参数来更改默认配置:-XX:MaxTenuringThreshold=<N>
;该过程称为晋升(promotion
); - 在养老区,相对悠闲,当老年区内存不足时,再次触发GC(
Major GC
),进行养老区的内存清理; - 若养老区执行了
Major GC
之后发现依然无法进行对象的保存,就会产生OOM
异常。
S0,S1满时不会触发
YGC
,但是YGC
会回收S0,S1的对象。
总结
- 针对幸存者s0,s1区:复制之后有交换,谁空谁是to;
- 关于垃圾回收:频繁在新生区收集,很少在养老区收集,几乎不再永久区/元空间收集。
对象特殊情况分配过程
- 新对象申请内存,如果
Eden
放的下,则直接存入Eden
;如果存不下则进行YGC
; YGC
之后如果能存下则放入Eden
,如果还存不下(为超大对象),则尝试存入Old
区;- 如果
Old
区可以存放,则存入;如果不能存入,则进行Full GC
; Full GC
之后如果可以存入Old
区,则存入;如果内存空间还不够,则OOM
;- 图右侧为
YGC
的流程图:当YGC
之后未销毁的对象放入幸存者区,此时如果幸存者区的空间可以装下该对象,则存入幸存者区,否则,直接存入老年代; - 当在幸存者区的对象超过阈值时,可以晋升为老年代,未达到阈值的依旧在幸存者区复制交换。
内存分配策略
针对不同年龄段的对象分配原则如下:
- 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到老年代。无需等到MaxTenuringThreshold
中要求的年龄;
数值变小原理
代码样例,设置参数:-Xms600m,-Xmx600m
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();
}
}
}
//执行结果
-Xms : 575M
-Xmx : 575M
明明设置的600M,怎么变成575M了呢?这是因为在堆内存存取数据时,新生代里边只有伊甸园和幸存者1区或者是幸存者2区存储对象,所以会少一个幸存者区的内存空间。
GC
JVM
进行GC
时,并非每次都对新生代、老年代、方法区(永久代、元空间)这三个区域一起回收,大部分回收是指新生代。
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(Full GC
)
Partial GC
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):收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集,只有
G1 GC
(按照region
划分新生代和老年代的数据)会有这种行为。
目前,只有CMS GC
会有单独收集老年代的行为;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。
Full GC
整堆收集(Full GC
):整个java
堆和方法区的垃圾收集。
触发机制
年轻代GC(Minor GC)触发机制
- 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
满不会引发GC
。(每次Minor GC
会清理年轻代的内存,Survivor
是被动GC
,不会主动GC
) - 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。 Minor GC
会引发STW
(Stop The World
),暂停其他用户的线程,等垃圾回收结束,用户线程才恢复运行。
老年代GC(Major GC/Full GC)触发机制
- 指发生在老年代的
GC
,对象从老年代消失时,Major GC
或者Full GC
发生了; - 出现了
Major GC
,经常会伴随至少一次的Minor GC
(不是绝对的,在Parallel Scavenge
收集器的收集策略里就有直接进行Major GC
的策略选择过程),也就是老年代空间不足时,会先尝试触发Minor GC
。如果之后空间还不足,则触发Major GC
; Major GC
速度一般会比Minor GC
慢10倍以上,STW
时间更长;- 如果
Major GC
后,内存还不足,就报OOM
了。
Full GC触发机制
触发Full GC执行的情况有以下五种:
- 调用
System.gc()
时,系统建议执行Full GC
,但是不必然执行; - 老年代空间不足;
- 方法区空间不足;
- 通过
Minor GC
后进入老年代的平均大小小于老年代的可用内存; - 由
Eden
区,Survivor S0
(from
)区向S1
(to
)区复制时,对象大小大于To Space
可用内存,则把该对象转存到老年代,且老年代的可用内存小于该对象大小。
Full GC
是开发或调优中尽量要避免的,这样暂停时间会短一些。
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