1. 概述

1.1 堆（Heap）的核心概述

Java运行时数据区

• 一个JVM实例只存在一个堆内存，堆是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管理的最大一块内存空间。
  • 堆内存的大小是可以调节的。
• 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，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堆的唯一目的就是存放对象实例，Java世界“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。
• 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，这个引用指向对象或者数组在堆中的位置。
• 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，是垃圾收集器（Garbage Collection，GC）执行垃圾回收的重点区域。

1.2 内存细分

现代垃圾收集器大部分都基于分代收集理论设计，堆空间细分为：

• Java7及之前堆内存逻辑上分为三部分：新生代+养老代+永久代

• Young Generation Space 新生代
  1. Eden区
  2. Survivor区
• Tenure Generation Space 养老代
• Permanent Space 永久代

• Java8及之后堆内存逻辑上分为三部分：新生代+养老代+元空间

• Young Generation Space 新生代
  1. Eden区
  2. Survivor区
• Tenure Generation Space 养老代
• Meta Space 元空间

约定：新生代新生区年轻代； 养老代老年区老年代； 永久区永久代

堆空间内部结构-JDK7

2. 设置堆内存大小与OOM

• Java堆区用于存储Java对象实例，堆的大小在JVM启动时就已经设定好了，可通过选项-Xmx和 -Xms来进行设置。
  • -Xms用于表示堆区的初始内存，等价于-XX:InitialHeapSize。
  • -Xms用于表示堆区的最大内存，等价于-XX:MaxHeapSize。
• 一旦堆区的内存大小超过-Xmx所指定的最大内存时，将会抛出OutOfMemoryException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无需重新计算分隔堆区的大小，从而提高性能。
• 默认情况下，初始内存大小=电脑物理内存大小/64；最大内存大小=电脑物理内存大小/4。

3. 年轻代与老年代

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非常迅速。
• 另外一类对象的生命周期非常长，在某些极端的情况下还能够与JVM的生命周期保持一致。

年轻代与老年代

Java堆区进一步划分的话，可以划分为年轻代（YoungGen）和老年代（OldGen）。其中年轻代又可以划分为Eden区、Survivor0区和Survivor1区（有时也叫做from区、to区**）

配置新生代与老年代在堆结构的占比。

新生代与老年代默认堆空间占比

• 默认-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。

在HotSpot中，Eden空间和另外两个Survivor空间缺省所占比例是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。
绝大部分的Java对象的销毁都在新生代进行了。

• 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，这个参数一般使用默认值就可以了。

4. 对象分配过程

对象分配流程

• 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。

5. Minor GC、Major GC与Full GC

5.1 概述

JVM在进行GC时，并非每次都对上面三个内存（新生代、老年代、方法区）区域一起回收的，大部分时候回收的都是指新生代。

JVM中的GC按照回收区域分为两大种类型：

• 部分收集（Partial GC）：指目标不是完整收集整个Java堆的垃圾收集。其中又分为：
  • 新生代收集（Minor GC/Young GC）：指目标只是新生代的垃圾收集。
  • 老年代收集（Major GC/Old GC）：指目标只是老年代的垃圾收集。目前只有CMS收集器会有单独收集老年代的行为。另外请注意"Major GC"这个说法现在有点混淆，在不同的资料上常有不同所指，读者需按上下文区分到底是指老年代的收集还是整堆收集。
  • 混合收集（Mixed GC）：指目标是收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集。目前只有G1收集器会有这种行为。
• 整堆收集（Full GC）：收集整个Java堆和方法区的垃圾收集。

5.2 年轻代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。
• Minor GC会引发STW，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。

5.2 老年代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Major GC，经常会伴随至少一次的Minor GC（但非绝对的，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）。
  • 也就是在老年代空间不足时，会先尝试触发Minor GC。如果之后空间还不足，则会触发Major GC。
• Major GC的速度一般比Minor GC慢10倍以上，STW的时间更长。
• 如果Major GC后内存还不足，就报OOM了。

5.3 Full GC触发机制

触发Full GC执行的情况有如下5种：

1. 调用System.gc()时，系统建议执行Full GC，但是不必然执行。
2. 老年代空间不足
3. 方法区空间不足
4. 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。
5. 由Eden区、survivor0（From）区向survivor1（To）区复制时，对象大小大于To区可用内存，则把该对象转存到老年代，且老年代的可用内存晓瑜该对象大小。

说明：Full GC是开发或调优中尽量要避免的。

6. 堆空间分代思想

当前商业虚拟机的垃圾收集器，大多数都遵循了“分代收集”（Generational Collection）的理论进行设计，分代收集名为理论，实质上是一套符合大多数程序运行实际情况的经验法则，它建立在两个分代假说之上：

1. 弱分代假说（Weak Generational Hypothesis）：绝大多数对象都是朝生夕灭的。
2. 强分代假说（Strong Generational Hypothesis）：熬过越多次垃圾收集过程的对象就越难以消亡。

这两个分代假说共同奠定了多款常用的垃圾收集器的一致的设计原则：收集器应该将Java堆划分出不同的区域，然后将回收对象依据其年龄（年龄即对象熬过垃圾收集过程的次数）分配到不同的区域之中存储。

为什么需要把Java堆分代？不分代就不能正常工作了吗？

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，那么所有的对象都放在一块，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的时候会先把这块存储“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。

7. 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Minor GC，年龄就增加1岁，当它的年龄增加到一定程度时（默认为15岁，一般每个JVM、每个GC都有所不同），就会被晋升到老年代中。

对象晋升老年代的年龄阈值，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

8. TLAB(Thread Local Allocation Buffer)

8.1 为什么需要有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。

8.2 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OpenJDK衍生出来的JVM都提供了TLAB的设计。

8.3 TLAB的一些说明

• 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。

8.4 使用TLAB的对象分配过程

使用TLAB的对象分配过程

9. 小结堆空间的参数设置

• -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
  • 打印GC简要信息：1. -XX:PrintGC 2. -verbose:gc
• -XX:HandlePromotionFailure：是否设置空间分配担保

空间分配担保

在发生Minor GC之前，虚拟机会检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象的总空间。

• 如果大于，则此次Minor GC是安全的
• 如果小于，则虚拟机会查看-XX:HandlePromotionFailure设置值是否允许担保失败。

  • 如果HandlePromotionFailure=true，那么会继续检查老年代最大可用连续空间是否大于历次晋升到老年代的对象的平均大小。
    • 如果大于，则尝试进行一次Minor GC，但这次Minor GC依然是有风险的；
    • 如果小于，则改为进行一次Full GC。
  • 如果HandlePromotionFailure=false，则改为进行一次Full GC。

在JDK6 Update24之后，HandlePromotionFailure参数不会再影响到虚拟机的空间分配担保策略，观察OpenJDK中源码变化，虽然源码中还定义了HandlePromotionFailure参数，但是在代码中已经不会再使用它。JDK6 Update24之后的规则变为只要老年代的连续空间大于新生代对象总大小或者历次晋升的平均大小就会进行Minor GC，否则将进行Full GC。

10. 逃逸分析

10.1 堆是分配对象存储的唯一选择吗？

在《深入理解Java虚拟机》中关于Java堆内存有这样一段描述：随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、变量替换优化技术将会导致一些微妙的变化，所有的对象都分配到堆上也渐渐变得不那么“绝对”了。

在Java虚拟机中，对象是在Java堆中分配内存的，这是一个普遍的常识。但是，有一种特殊的情况，那就是如果经过逃逸分析（Escape Analysis）后发现，一个对象并没有逃逸出方法的话，那么有可能被优化成栈上分配。这样就无需在堆上分配内存，也无须进行垃圾回收了。这也是最常见的堆外存储技术。

此外，前面提到的基于OpenJDK深度定制的TaoBaoVM，其中创新的GCIH（GC invisible heap）技术实现off-heap，将生命周期较长的Java对象从heap中移至heap外，并且GC不能管理GCIH内部的Java对象，以此达到降低GC的回收频率和提升GC的回收效率的目的。

10.2 逃逸分析概述

• 如果将堆上的对象分配到栈上，需要使用逃逸分析手段。
• 这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。
• 通过逃逸分析，Java Hotspot编译器能够分析出一个新的对象的引用范围从而决定是否要将这个对象分配到堆上。
• 逃逸分析的基本行为就是分析对象动态作用域：
• 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它地方中。

10.2.1 参数设置：

• 在JDK 6u23版本之后，HotSpot中默认已经开启了逃逸分析。
• 如果使用的是较早的版本，开发人员则可以通过：
  • 选项-XX:+DoEscapeAnalysis显式开启逃逸分析
  • 通过选项-XX:+PrintEscapeAnalysis查看逃逸分析的筛选结果。

结论：开发中能使用局部变量的，就不要在方法外定义。

10.2.2 代码优化

使用逃逸分析，编译器可以对代码做如下优化：

1. 栈上分配。

JIT编译器在编译期间根据逃逸分析的结果，发现如果一个对象并没有逃逸出方法的话，就有可能被优化成栈上分配。分配完成后，继续在调用栈内执行，最后线程结束，栈空间被回收，局部变量对象也被回收。这样就无须进行垃圾回收了。

2. 同步省略。

• 线程同步的代价是相当高的，同步的后果是降低并发性和性能。如果一个对象被发现只能从一个线程被访问到，那么对于这个对象的操作可以不考虑同步。
• 在动态编译同步块的时候，JIT编译器可以借助逃逸分析来判断同步块所使用的锁对象是否只能够被一个线程访问而没有被发布到其它线程。如果没有，那么JIT编译器在编译这个同步块的时候就会取消对这部分代码的同步。这样就能大大提高并发性和性能。这个取消的过程就叫同步省略，也叫锁消除。

3. 分离对象或标量替换。

• 有的对象可能不需要作为一个连续的内存结构存在也可以被访问到，那么对象的部分（或全部）可以不存储在内存，而是存储在CPU寄存器中。
• 标量（Scalar）是指一个无法再分解成更小的数据的数据。Java中的原始数据类型就是标量。相对的，那些还可以分解的数据叫做聚合量（Aggregate），Java中的对象就是聚合量，因为对象可以分解成其它聚合量和标量。
• 在JIT阶段，如果经过逃逸分析，发现一个对象不会被外界访问的话，那么经过JIT优化，就会把这个对象拆解成若干个其中包含的若干个成员变量来代替。这个过程就是标量替换。
• 标量替换有什么好处？大大减少堆内存的占用以及垃圾收集的频率。
• 标量替换参数设置 参数-XX:+EliminateAllocations：开启了标量替换（默认打开），允许将对象打散分配在栈上。

逃逸分析技术并不成熟

• 关于逃逸分析的论文在1999年就已经发表了，但直到JDK1.6才有实现，而且这项技术到如今也并不是十分成熟的。
• 其根本原因就是无法保证逃逸分析的性能消耗一定能高于他的消耗。虽然经过逃逸分析可以做标量替换、栈上分配和锁消除。但是逃逸分析自身也是需要进行一系列复杂的分析，这其实也是一个相对耗时的过程。
• 一个极端的例子，就是经过逃逸分析之后，发现没有一个对象是不逃逸的，那么这个逃逸分析的过程就白白浪费掉了。
• 虽然这项技术并不十分成熟，但是它也是即时编译器优化技术中一个十分重要的手段。