《JVM 系列》 第五章 -- 堆空间与对象分配，springboot 项目分层架构

根据 Java 虚拟机规范的规定，Java 堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。

堆内存的大小是可以调节的在实现时，即可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx 和-Xms 控制）。

Java 堆 ，是垃圾收集器（GC，Garbage Collection）执行垃圾回收的重点区域，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。因此很多时候也被称作“GC 堆”。

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 堆中还可以细分为：新生代、老年代和永久区（jdk8 以后被称为元空间）；

新生代与老年区：

• Java 堆区进一步细分的话，可以划分为年轻代（YoungGen）和老年代（OldGen），默认情况下新生代与老年代的占比为 1：2，-XX：NewRatio=2。

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

在 HotSpot 中，Eden 空间与 Survivor 空间缺省的占比为 8：1：1（-xx:SurvivorRatio=8）。

• 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会被分配在 TLAB 上；如果对象较大，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 MinorGc。

• 当 GC 发生在老年代时则被称为 MajorGC 或者 FullGC。一般的，MinorGC 的发生频率要比 MajorGC 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。

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 是生命周期保持一致

几乎所有的 Java 对象都是在 Eden 区被 new 出来的，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。

注意：在 Eden 区满了的时候，才会触发 MinorGC，而幸存者区满了后，不会触发 MinorGC 操作。如果 Survivor 区满了后，将会触发一些特殊的规则，也就是可能直接晋升老年代

可以使用选项"-Xmn"设置新生代最大内存大小。

从内存分配的角度来看，线程共享的 Java 堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。不过无论如何划分，都与存放内存无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好的回收内存，或者更快的分配内存。

堆的大小在 JVM 启动时就已经设定好了，大家可以通过选项"-Xmx"和"-Xms"来进行设置。

**-Xms10m：最小堆内存/起始内存，等价于-xx:InitialHeapSize

-Xmx10m：最大堆内存**，等价于-XX:MaxHeapSize

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 ava 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。

堆空间的参数设置：

| 参数 | 作用 |

| --- | --- |

| -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（可能不再是初始值） |

| -Xms 或-XX:InitialHeapSize | 初始堆空间内存（默认为物理内存的 1/64） |

| -Xmx 或-XX:MaxHeapSize | 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（①-Xx：+PrintGC ② - verbose:gc） |

| -XX:HandlePromotionFalilure | 是否设置空间分配担保 |

如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时（内存大小超过“-xmx"所指定的最大内存时），将会抛出 OutOfMemoryError 异常。

对象分配

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。

对象分配流程：

• 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。

• 然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存者 0 区。

• 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。

• 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。

• 啥时候能去养老区呢？可以设置次数（-Xx:MaxTenuringThreshold= N），默认是 15 次。

• 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

• 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。

| 对象分配过程图 |

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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。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，因为新创建的对象都是朝生夕死的，所以这个大对象可能也很快被回收，但是因为老年代触发 Major GC 的次数比 Minor GC 要更少，因此可能回收起来就会比较慢，所以要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

垃圾回收 GC

JVM 在进行 GC 时，并非每次都对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：

（1）新生代收集（MinorGC/YoungGC）： 只是新生代的垃圾收集

（2）老年代收集（MajorGC/OldGC）： 只是老年代的圾收集。目前，只有 CMSGC 会有单独收集老年代的行为，很多时候 Major GC 会和 FullGC 混淆使用，需要具体分辨是老年代回收还是整堆回收。

（3）混合收集（MixedGC）： 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（FullGC）： 收集整个 java 堆和方法区的垃圾收集。

Minor GC 触发机制：

• 当年轻代空间不足时，就会触发 MinorGC，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。）

• 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 word），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 GC 触发机制：

• 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

• 出现了 MajorGC，经常会伴随至少一次的 Minor GC（但非绝对的，在 Paralle1 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 MinorGC。如果之后空间还不足，则触发 Major GC

• Major GC 的速度一般会比 MinorGC 慢 10 倍以上，STW 的时间更长。

• 如果 Major GC 后，内存还不足，就报 OOM 异常。(触发 OOM 的时候，一定是进行了一次 Full GC，因为只有在老年代空间不足时候，才会爆出 OOM 异常)

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Full GC 触发机制：

• 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大于老年代的可用内存

• 由 Eden 区、survivor spacee（From Space）区向 survivor spacel（To Space）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

说明：Full GC 是开发或调优中尽量要避免的，这样暂停时间（STW 时间）会短一些

堆空间分代思想：

为什么要把 Java 堆分代？不分代就不能正常工作了吗？经研究，不同对象的生命周期不同。70%-99%的对象是临时对象。

• 新生代：有 Eden、两块大小相同的 survivor（又称为 from/to，s0/s1）构成，to 总为空。

• 老年代：存放新生代中经历多次 GC 仍然存活的对象。

其实不分代完全可以，分代的唯一理由就是优化 GC 性能。如果没有分代，那所有的对象都在一块，GC 的时候要找到哪些对象没用，这样就会对堆的所有区域进行扫描。而很多对象都是朝生夕死的，如果分代的话，把新创建的对象放到某一地方，当 GC 的时候先把这块存储“朝生夕死”对象的区域进行回收，这样就会腾出很大的空间出来。

为对象分配内存 TLAB

什么是 TLAB？

• TLAB：Thread Local Allocation Buffer，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 OpenJDK 衍生出来的 JVM 都提供了 TLAB 的设计。

为什么有 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。