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JVM堆笔记 java-jvm堆笔记

2022-10-14 分类：笔记 阅读(1315) 评论(0)

堆

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  • 一个JVM实例只能有一个堆内存，堆也是java内存管理的核心区域
  • java的堆区在JVM启动的时候就会创建，空间大小也就确定了，是JVM内存管理最大的一块区域（堆内存的大小是可以调节的）
  • 堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但是逻辑上应该被视为连续的
  • 所有的线程共享堆区,也可以划分线程私有的缓冲区（TLAB）
  • 所有的对象实例及数组都应当在运行时分配到堆区域
  • 数组和对象可能永远不存储在栈上，栈只保存一个引用，这个引用指向堆中存储对象或数组的地址
  • 方法结束后，堆中的对象不会立马移除，仅在GC之后才会被移除
  • 堆是GC执行垃圾回收的重点区域

堆内存细分

java7之前堆内存逻辑上分为了新生区+养老区+永久区 ，java8之后堆内存逻辑上分为了 新生区+养老区+元空间。新生区又分为 Eden 区 和 Survivor 区，Survivor 区分为 Survivor 0区 和Survivor 1区。

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堆空间大小设置

默认情况下，初始内存是电脑物理内存的1/64，最大内存是物理内存的1/4，可以使用命令参数设置大小

  • -Xms1024M/G 起始内存等价于 -XX :InitialHeapSize1024M/G
  • -Xmx4096M/G 堆区最大内存等价于 -XX:MaxHeapSize4096M/G

问题 分配内存与 Runtime.getRuntime().maxMemory() 查询不一致

描述：在操作中，个虚拟机分配 600M 内存。但是通过Runtime.getRuntime().maxMemory()查询只有575 M的内存。通过jvisualvm查看确实是分配了600M。

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解析：因为在新生区中存在两个Survivor 区，但是两个Survivor 区只有一个回存储数据，另一个始终是空的。所以通过 Runtime.getRuntime().maxMemory() 查询的是 Eden 区 + 一个 Survivor 区 分配的内存

查看设置的参数
  • 命令行输入 jps / jstat -gc 进程id
  • jvisualvm
  • -XX:+PrintGCDetails
OOM的说明
  • 代码部分
public class OOMTest {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<Picture> list = new ArrayList<>();
        while(true){
            try {
                Thread.sleep(20);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            list.add(new Picture(new Random().nextInt(1024 * 1024)));
        }
    }
}

class Picture{
    private byte[] pixels;

    public Picture(int length) {
        this.pixels = new byte[length];
    }
}
  • 虚拟机设置参数

-Xms600M -Xmx600m

  • 控制台打印
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at com.sdzy.sell.home.controller.Picture.<init>(AfterSaleController.java:63)
    at com.sdzy.sell.home.controller.AfterSaleController.main(AfterSaleController.java:54)

Process finished with exit code 1

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年轻代和老年代

存储在JVM中的java对象可以被划分为两类

  • 一类是生命周期比较短的瞬时对象，这类对象的创建和消亡都很快
  • 一类是生命周期比较长，在某些情况下，能与jvm的生命周期保持一致。

所以，年轻代保存的都是一些瞬时对象，在这些对象经过几次GC之后，还存活的对象，才会分配到老年代。

调整新生代与老年代在堆的结构占比

  • JVM默认新生代占整个堆的1/3大小，即-XX:NewRatio=2，表示新生代与老年代比例为1：2， 新生代占1/3
  • 可以修改-XX:NewRatio=4，表示新生代与老年代的比例为1：4，新生代占1/5

以上参数一般不做调整。

  • 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,当然开发人员可以通过选项-XX:SurvivorRatio调整这个空间比例。比如-XX:SurvivorRatio=8
  • 几乎所有的Java对象都是在Eden区被new出来的。如果对象特别大，导致Eden区放不下，则会直接放入老年代
  • 绝大部分的Java对象的销毁都在新生代进行了（有些大的对象在Eden区无法存储时候，将直接进入老年代），IBM公司的专门研究表明，新生代中80%的对象都是“朝生夕死”的。
  • 可以使用选项"-Xmn"设置新生代最大内存大小，但这个参数一般使用默认值就可以了，不做修改。

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新分配内存

为新对象分配内存是一件非常严谨和复杂的任务，JVM的设计者们不仅需要考虑内存如何分配、在哪里分配等问题，并且由于内存分配算法与内存回收算法密切相关，所以还需要考虑GC执行完内存回收后是否会在内存空间中产生内存碎片。

具体过程

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  1. new的对象先放伊甸园区。此区有大小限制。
  2. ​
  3. 当伊甸园的空间填满时，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收（MinorGC），将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁。再加载新的对象放到伊甸园区。
  4. 然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存者0区。
  5. 如果再次触发垃圾回收，此时上次幸存下来的放到幸存者0区的，如果没有回收，就会放到幸存者1区。
  6. 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。
  7. 啥时候能去养老区呢？可以设置次数。默认是15次。可以设置新生区进入养老区的年龄限制，设置 JVM 参数：-XX:MaxTenuringThreshold=N 进行设置
  8. 在养老区，相对悠闲。当养老区内存不足时，再次触发GC：Major GC，进行养老区的内存清理
  9. 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。

常用调优工具

  1. JDK命令行
  2. Eclipse：Memory Analyzer Tool
  3. Jconsole
  4. Visual VM（实时监控，推荐）
  5. Jprofiler（IDEA插件）
  6. Java Flight Recorder（实时监控）
  7. GCViewer
  8. GCEasy

GC垃圾收集器

  1. 我们都知道，JVM的调优的一个环节，也就是垃圾收集，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。
Young GC

年轻代 GC（Minor GC）触发机制

  1. 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）
  2. 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。
  3. 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

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内存分配策略

  • 如果对象在Eden出生并经过第一次Minor GC后仍然存活，并且能被Survivor容纳的话，将被移动到Survivor空间中，并将对象年龄设为1。
  • 对象在Survivor区中每熬过一次MinorGC，年龄就增加1岁，当它的年龄增加到一定程度（默认为15岁，其实每个JVM、每个GC都有所不同）时，就会被晋升到老年代
  • 对象晋升老年代的年龄阀值，可以通过选项-XX:MaxTenuringThreshold来设置

针对不同年龄段的对象分配原则如下所示：

  • 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老年代，无须等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄。

  • 空间分配担保：

    • -XX:HandlePromotionFailure ，也就是经过Minor GC后，所有的对象都存活，因为Survivor比较小，所以就需要将Survivor无法容纳的对象，存放到老年代中。

TLAB

问题：堆空间的内存都是共享的吗？

不一定，因为还有TLAB这个概念，在堆中划分出一块区域，为每个线程所独占

为什么有TLAB：

  • TLAB为每个线程单独分配了一个缓冲区
  • 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。
什么是TLAB
  • 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。
  • 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。
  • 所有的OpenJDK衍生出来的虚拟机都提供了TLAB的设计。

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TLAB分配过程
  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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。

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JVM默认开启TBLAB

堆空间参数设置

文档

常用的一些参数：

-XX:+PrintFlagsInitial：查看所有的参数的默认初始值
-XX:+PrintFlagsFinal：查看所有的参数的最终值（可能会存在修改，不再是初始值）
-Xms：初始堆空间内存（默认为物理内存的1/64）
-Xmx：最大堆空间内存（默认为物理内存的1/4）
-Xmn：设置新生代的大小（初始值及最大值）
-XX:NewRatio：配置新生代与老年代在堆结构的占比
-XX:SurvivorRatio：设置新生代中Eden和S0/S1空间的比例
-XX:MaxTenuringThreshold：设置新生代垃圾的最大年龄
-XX:+PrintGCDetails：输出详细的GC处理日志
-XX:+PrintGC 或 -verbose:gc ：打印gc简要信息
-XX:HandlePromotionFalilure：是否设置空间分配担保

逃逸分析

堆是分配对象存储的唯一选择吗？

在java虚拟机中，对象一般是在堆中分配内存的，但是有一种特殊情况，那就是经过逃逸分析后发现，这个对象并没有逃逸去方法的话，那就有可能被优化成栈上分配。这样就无需在堆上分配内存，也不需要进行垃圾回收

什么是逃逸分析

逃逸分析是一种可以有效减少java程序中同步负载和内存堆分配压力的跨函数全局数据流分析算法。通过该算法，可以判断对象是否要分配到堆上。

  • 当一个对象在方法中被定义后，对象只在方法内部使用，则认为没有发生逃逸。
  • 当一个对象在方法中被定义后，它被外部方法所引用，则认为发生逃逸。例如作为调用参数传递到其他地方中。
// 未发生逃逸，分配到栈，方法执行结束，栈空间被移除
public void test1(){
  Person person = new Person();

  person = null;
}
// 发生逃逸，会分配到堆空间
public StringBuffer test1(){
  StringBuffer sb = new StringBuffer();

  return sb;
}
// 未发生逃逸，分配到栈，方法执行结束，栈空间被移除
public String test1(){
  StringBuffer sb = new StringBuffer();

  return sb.toString();
}

小结

年轻代是对象的诞生、成长、消亡的区域，一个对象在这里产生、应用，最后被垃圾回收器收集、结束生命。

老年代放置长生命周期的对象，通常都是从Survivor区域筛选拷贝过来的Java对象。

当然，也有特殊情况，我们知道普通的对象可能会被分配在TLAB上

如果对象较大，无法分配在 TLAB 上，则JVM会试图直接分配在Eden其他位置上

如果对象太大，完全无法在新生代找到足够长的连续空闲空间，JVM就会直接分配到老年代

当GC只发生在年轻代中，回收年轻代对象的行为被称为Minor GC

当GC发生在老年代时则被称为Major GC或者Full GC

一般的，Minor GC的发生频率要比Major GC高很多，即老年代中垃圾回收发生的频率将大大低于年轻代

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