JVM中的堆（Heap）详解

堆（Heap）是JVM运行时数据区域中占用内存最大的部分，用于存储对象实例和数组。堆是所有线程共享的，应用程序运行时动态分配的内存几乎都来自堆。

1. 堆的功能

1. 对象分配
   堆用于存储所有对象实例以及数组，new操作创建的对象通常存储在堆中。
2. 垃圾回收
   堆是垃圾回收器（Garbage Collector，GC）管理的主要区域。GC负责在堆中清理无用的对象以释放内存。
3. 运行时共享
   堆是线程共享的内存区域，多个线程可以访问堆中的对象。

2. 堆的组成结构

JVM将堆进一步划分为两个主要区域：

2.1 年轻代（Young Generation）

用于存储生命周期短的对象（临时对象），进一步划分为三个区：

• Eden区：新对象在这里分配内存，大多数对象在这里创建并很快被回收。
• Survivor区：
  • 存在两个Survivor区（S0和S1），存活下来的对象从Eden区复制到Survivor区。
  • 两个Survivor区之间会进行对象交换，存活时间较长的对象最终会晋升到老年代。

2.2 老年代（Old Generation）

存储生命周期较长的对象，如常驻内存中的对象或多次GC后仍未被回收的对象。

3. 堆的分代机制

3.1 分代设计的目的

分代设计是为了优化垃圾回收的性能，根据对象的生命周期特点将堆划分为不同的区域：

• 短生命周期对象：大部分在年轻代快速分配和回收。
• 长生命周期对象：晋升到老年代后减少频繁扫描。

3.2 分代垃圾回收的原理

1. Minor GC（针对年轻代）：
   • 频率高，回收速度快。
   • 回收Eden区和一个Survivor区的无用对象，将存活对象复制到另一个Survivor区或晋升到老年代。
2. Major GC/Full GC（针对老年代）：
   • 频率低，耗时较长。
   • 回收老年代中的无用对象，通常伴随着整个堆的整理。

4. 堆的内存分配策略

4.1 对象的分配

• 优先分配在Eden区：大部分对象在Eden区分配内存。
• 大对象直接进入老年代：如较大的数组或字符串。
• 长期存活的对象晋升到老年代：通过MaxTenuringThreshold参数控制对象从年轻代晋升到老年代的阈值。

4.2 空间分配担保

当年轻代内存不足时，JVM会检查老年代是否有足够的空间存放从年轻代晋升的对象。如果空间不足，可能触发Full GC。

5. 堆的大小与调整

5.1 堆大小参数

1. 最小堆大小：-Xms
   设置堆的初始大小。
2. 最大堆大小：-Xmx
   设置堆的最大大小。
3. 年轻代大小：-Xmn
   设置年轻代的大小。
4. 老年代与年轻代比例：-XX:NewRatio
   比如NewRatio=2表示老年代与年轻代的大小比例为2:1。
5. Survivor区比例：-XX:SurvivorRatio
   比如SurvivorRatio=8表示Eden区与一个Survivor区的大小比例为8:1。

5.2 动态调整堆大小

通过-XX:+UseAdaptiveSizePolicy参数，JVM会根据运行时的内存使用情况动态调整堆大小及分代比例。

6. 堆的垃圾回收

6.1 常见垃圾回收算法

1. 标记-清除算法：
   标记存活对象并清理无用对象，适用于老年代。
2. 复制算法：
   将存活对象复制到新区域，清理原区域，适用于年轻代。
3. 标记-整理算法：
   标记存活对象后移动到一端，适用于老年代。

6.2 垃圾回收器

JVM提供了多种垃圾回收器：

1. Serial GC：单线程，适合单核环境。
2. Parallel GC：多线程并行，适合多核环境。
3. G1 GC：分区收集，优先回收占用较大的区域。
4. ZGC、Shenandoah GC：低延迟垃圾回收器，适合需要极低停顿时间的场景。

7. 常见的堆相关异常

7.1 OutOfMemoryError: Java Heap Space

• 原因：堆内存不足。
• 解决方法：
  1. 增加堆大小：-Xmx参数。
  2. 优化程序，减少不必要的对象创建。

7.2 OutOfMemoryError: GC Overhead Limit Exceeded

• 原因：GC回收时间占用过多，回收效果有限。
• 解决方法：
  1. 增加堆大小。
  2. 分析程序，减少老年代中长时间存活的对象。

8. 示例分析

以下代码演示堆的基本行为：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class HeapDemo {
    public static void main(String[] args) {
        List<Object> list = new ArrayList<>();
        while (true) {
            list.add(new Object());
            System.out.println("Created new object");
        }
    }
}

• 运行结果：在堆内存耗尽后会抛出OutOfMemoryError: Java Heap Space异常。
• 调试方法：通过jvisualvm或jmap工具分析堆内存分配情况。