Java工程师知识树 / Java基础

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概要

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。是 JVM 管理的最大的一块内存空间。

《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)

《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。（ The heap is the run-time data area from which memory for all class instances and arrays is allocated)

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。

堆，是 GC (Garbage Collection,垃圾收集器） 执行垃圾回收的重点区域。

一句话描述：Java堆是JVM内存中最大的一块区域，JVM几乎所有的对象实例都在堆里分配内存并创建。堆内部区域的划分取决于JVM的垃圾回收策略，即GC策略。目前主流的GC策略大部分是基于分代收集算法的，如 parNew+CMS，或者G1等等。因此我们可以将Java堆再划分为新生代，老年代。

存储数据

堆中存储：1.运行时类实例（即对象，包含全局变量）；2.运行时数组；3.静态变量；4.运行时常量池。

不能在栈上存储数组和对象，因为栈帧被设计为创建以后无法调整大小。

栈帧只存储指向堆中对象或数组的引用。与局部变量数组（每个栈帧：调用方法创建栈帧）中的原始类型和引用类型不同，对象总是存储在堆上以便在方法结束时不会被移除。

对象和数组永远不会显式回收，而是由垃圾回收器自动回收。

通常，过程是这样的：

1. 新的对象和数组被创建并放入新生代。
2. Minor垃圾回收将发生在新生代。依旧存活的对象将从 eden 区移到 survivor 区。
3. Major垃圾回收一般会导致应用进程暂停，它将在三个区内移动对象。仍然存活的对象将被从新生代移动到老年代。
4. 每次进行老年代回收时也会进行永久代回收。它们之中任何一个变满时，都会进行回收。

堆的限制

OutOfMemoryError产生原因主要包含下面几种情况：

• 内存中加载的数据量过于庞大，如一次从数据库取出过多数据；
• 集合类中有对对象的引用，使用完后未清空，使得JVM不能回收；
• 代码中存在死循环或循环产生过多重复的对象实体；
• 使用的第三方软件中的BUG；
• 启动参数内存值设定的过小；

堆空间的大小设置：

-Xms 用于表示堆区的起始内存，等价于 -XX:InitialHeapSize ，eg：-Xms256M
-Xmx 用于表示堆区的最大内存，等价于-XX:MaxHeapSize ，eg：-Xmx256M

一旦堆区中的内存大小超过 “-Xmx" 所指定的最大内存是，将会抛出 OutOfMemoryError异常。
通常会将 -Xms 和 -Xmx 两个参数配置相同的值，其目的是为了能够在 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。

默认情况下，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

堆内存区域

堆被分为了下面三个区域：

新生代：1.Eden区（伊甸区）；2.Survivor区（幸存者区）0.1
老年代：养老区
永久代（jdk7以前）/元空间(jdk8以后)：1.8开始持久代被废弃，使用元空间代替，元空间MetaSpace并不是堆内存的一部分而是本地内存。

堆区与非堆区的区别

第一，Perm Gen(永久代)--1.8元空间

元空间是jdk8以后才加入的，用来替换原来的永久代。也就是说，原perm区（永久代）中的方法区，也在这里。从它原来的名字就可以看出来，永久代指的就是那些变动很少的数据，稳定为主。比如我们在jvm启动时，加载的那些class文件；以及在运行时，动态生成的代理类。

元空间的大小，默认是没有上限的。极端情况下，会一直挤占操作系统的剩余内存。

第二、CodeCache(代码缓存区)

CodeCahe存放的，就是即时编译器所生成的二进制代码。当然，JNI的代码也是放在这里的。

这个空间在不同的平台，大小都是不一样的，但一般够用了。但是把这个区域调的非常的小的情况下，JVM不会溢出，这个区域也不会溢出，但是会退化成解释型执行模式，速度和JIT不可同日而语，慢个数量级也是可能的。

第三、年轻代与老年代

存储在 JVM 中的 Java 对象可以被划分为两类：

• 1. 一类是生命周期较短的瞬时对象，这类对象在创建和消亡都非常迅速
• 2. 另外一类对象的生命周期却非常长，在某些极端的情况下还能够与 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）。年轻代又称为新生代/新生区。老年代又称为老年区/养老区。

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

年轻代与老年代关系

大部分对象在Eden区中生成。当Eden区满时，还存活的对象将被复制到Survivor区（两个中的一个），当这个Survivor区满时，此区的存活对象将被复制到另外一个Survivor区，当这个Survivor去也满了的时候，从第一个Survivor区复制过来的并且此时还存活的对象，将被复制“年老区(Tenured)”。

需要注意，Survivor的两个区是对称的，没先后关系，所以同一个区中可能同时存在从Eden复制过来 对象，和从前一个Survivor复制过来的对象，而复制到年老区的只有从第一个Survivor去过来的对象。而且，Survivor区总有一个是空的。同时，根据程序需要，Survivor区是可以配置为多个的（多于两个），这样可以增加对象在年轻代中的存在时间，减少被放到年老代的可能。

配置年轻代与老年代在对结构的占比：

年轻代与老年代的比例默认时 1:2；年轻代区的默认比例时 8:1:1

• 默认 -XX: NewRaio = 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。

在 HotSpot 中，Eden 空间和另外两个 SurvIvor 空间缺省所占的比例是 8:1:1 开发人员可以通过选项 -XX：SurvivorRatio 调整整个空间比例。比如： -XX：SurvivorRatio = 8

几乎所有的 Java 对象都是在 Eden 区被new 出来的。绝大部份的 Java 对象的销毁都年轻代在进行了。可以使用选项 -Xmn 设置年轻代最大内存大小。

第四、对象分配与回收过程

• 针对幸存者s0, s1区的总结：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，几乎不在永久区/元空间收集。

对象的分配策略

（1）对象优先在Eden空间分配

当我们创建一个对象时，若没有特殊情况，这个对象会被分配在新生代的Eden空间。此时，若Eden空间不足，无法提供这个对象所需的空间时，将会触发垃圾回收机制，清理Eden空间，为新对象腾出更多空间。在进行垃圾回收时，会将Eden中仍然存活的对象放入一个空闲的Survivor中，但是若Survivor空间不足以存放这些存活的对象，则由于担保机制的存在，这些对象会被放入到老年代中。

（2）大对象直接在老年代分配

假设我们在代码中创建了一个很大的对象（比如数组或较长的字符串），而这个对象在很长一段时间都要使用，不会轻易被当作垃圾回收。这时候将面临一个问题：若将这个对象分配在新生代的Eden中，每次进行垃圾回收时，都需要将这个大对象复制到Survivor中保留，这个复制过程是一笔很大的开销，而且由于大对象占用了大量空间，垃圾回收将会频繁发生。所以，为了避免这种情况的发生，对于较大的对象，将会被直接分配到老年代中，原因是老年代发生垃圾回收的频率较低，而且不是使用复制算法进行垃圾回收。

那如何判断一个对象是否属于大对象呢？JVM提供一个参数-XX：PretenureSizeThreshold，通过这个参数来设定多大属于大对象。当需要为一个对象分配空间时，若此对象所需的空间大于这个参数的值，就会被判定为一个大对象，从而在老年代中为其分配空间。

（3）长期存活的对象将进入老年代

这个原则合情合理，老年代存在的首要目的，就是存放生命周期较长的对象，所以对于新生代中存活了很长时间的对象，就应该把他们移入老年代，而不是一直留在新生代中占用空间。每一个对象都有一个自己的年龄计数器，记录了自己的存活周期。对于新生代中的对象，初始时刻它的年龄计数器为0，每经历一次垃圾回收后，年龄计数器+1。当计数器的值到达设定好的阈值时（默认是15），就证明这个对象是一个”老油条“，于是将它转入到老年代中。

对于生命周期长的对象，由于不会轻易死亡，所以每一次垃圾回收都会被它拖慢，而且垃圾回收对于短时间内不会死亡的对象也没有意义，所以不应该将它留在垃圾回收频繁的新生代占用空间，这就是需要将这种对象转让老年代的理由。JVM中也提供了一个参数-XX：MaxTenuringThreshold来设置对象进入老年代的阈值，当对象的年龄计数器超过这个值时将进入老年代。

（4）动态年龄判断

对于新生代中的对象，并不一定需要年龄计数器到达阈值才被放入老年代，有一种特殊情况会导致对象直接进入老年代。当新生代的Survivor空间中，某一个年龄的对象相加，所占空间总和超过了Survivor空间的一半，则大于或等于这个年龄的对象将直接进入老年代，而不需要到达阈值。比如说，在Survivor空间中，年龄为5的对象相加，所占空间超过了Survivor总空间的一半，则所有年龄>=5的对象，会被直接转入老年代。

第五、新生代与老年代使用的GC算法

对于新生代而言，这一块区域中的对象存活时间短，每一次垃圾回收都能回收大部分内存，所以适合使用复制算法进行垃圾回收，同时以老年代作为这个算法的担保空间；

对于老年代而言，每次垃圾回收只能释放小部分空间，若使用复制算法，每次将需要做大量复制，而且此时Survivor需要较大的空间，所以不适合使用复制算法，因此在老年代中，一般使用标记—清除或者标记—整理算法进行垃圾回收。