JVM_03 运行时数据区 2- 堆

1.核心概述

一个进程对应一个 jvm 实例,一个运行时数据区,又包含多个线程,这些线程共享了方法区和堆,每个线程包含了程序计数器、本地方法栈和虚拟机栈。

  1. 一个 jvm 实例只存在一个堆内存,堆也是 Java 内存管理的核心区域。
  2. 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)
  3. 《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。
  4. 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。(TLAB:Thread Local Allocation Buffer).(面试问题:堆空间一定是所有线程共享的么?不是,TLAB 线程在堆中独有的)
  5. 《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。
    • 从实际使用的角度看,“几乎”所有的对象的实例都在这里分配内存。 (‘几乎’是因为可能存储在栈上)
  6. 数组或对象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。
  7. 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。
  8. 堆,是 GC(Garbage Collection,垃圾收集器)执行垃圾回收的重点区域。

1.1 配置 jvm 及查看 jvm 进程

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1.2 堆的细分内存结构

JDK 7 以前: 新生区 + 养老区 + 永久区

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JDK 8 以后: 新生区 + 养老区 + 元空间

2.设置堆内存大小与 OOM

2.1 查看堆内存大小

public class HeapSpaceInitial {
    public static void main(String[] args) {

        //返回Java虚拟机中的堆内存总量
        long initialMemory = Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024 / 1024;
        //返回Java虚拟机试图使用的最大堆内存量
        long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory() / 1024 / 1024;

        System.out.println("-Xms : " + initialMemory + "M");//-Xms : 245M
        System.out.println("-Xmx : " + maxMemory + "M");//-Xmx : 3641M

        System.out.println("系统内存大小为:" + initialMemory * 64.0 / 1024 + "G");//系统内存大小为:15.3125G
        System.out.println("系统内存大小为:" + maxMemory * 4.0 / 1024 + "G");//系统内存大小为:14.22265625G

        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

2.2 堆大小分析

设置堆大小为 600m,打印出的结果为 575m,这是因为幸存者区 S0 和 S1 各占据了 25m,但是他们始终有一个是空的,存放对象的是伊甸园区和一个幸存者区。

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3.年轻代与老年代

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配置新生代与老年代在堆结构的占比

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4.图解对象分配过程

为新对象分配内存是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、在哪里分配的问题,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。

  1. new 的对象先放伊甸园区。此区有大小限制。
  2. 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(Minor GC),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
  3. 然后将伊甸园中的剩余对象移动到幸存者 0 区。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 啥时候能去养老区呢?可以设置次数。默认是 15 次。·可以设置参数:-XX:MaxTenuringThreshold=?进行设置。
  7. 在养老区,相对悠闲。当老年区内存不足时,再次触发 GC:Major GC,进行养老区的内存清理。
  8. 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。

总结
**

针对幸存者s0,s1区: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,几乎不再永久区/元空间收集。

**

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4.2 对象分配的特殊情况

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4.3 代码举例

public class HeapInstanceTest {
    byte[] buffer = new byte[new Random().nextInt(1024 * 200)];

    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<HeapInstanceTest> list = new ArrayList<HeapInstanceTest>();
        while (true) {
            list.add(new HeapInstanceTest());
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

对应堆空间分配过程

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5.Minor GC、Major GC、Full GC

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

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(Full GC)

6.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么

7.内存分配策略

代码示例

分配 60m 堆空间,新生代 20m ,Eden 16m, s0 2m, s1 2m,buffer 对象 20m,Eden 区无法存放 buffer, 直接晋升老年代。

/** 测试:大对象直接进入老年代
 * -Xms60m -Xmx60m -XX:NewRatio=2 -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+PrintGCDetails
 */
public class YoungOldAreaTest {
    // 新生代 20m ,Eden 16m, s0 2m, s1 2m
    // 老年代 40m
    public static void main(String[] args) {
        //Eden 区无法存放buffer  晋升老年代
        byte[] buffer = new byte[1024 * 1024 * 20];//20m
    }
}

日志输出

1725a6dfdffbe6e8.png

8.为对象分配内存:TLAB(线程私有缓存区域)

1725a6e5328e2947.png

为什么有 TLAB(Thread Local Allocation Buffer)

什么是 TLAB

说明

TLAB 对象分配过程

1725a6f315abfcae.png

9.小结堆空间的参数设置

说明

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。

在 JDK6 Update24 之后(JDK7),HandlePromotionFailure 参数不会再影响到虚拟机的空间分配担保策略,观察 OpenJDK 中的源码变化,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.堆是分配对象的唯一选择么(不是)

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 编译期的发展与逃逸分析技术逐渐成熟,栈上分配、标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,那么就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(GCinvisible 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。

代码分析

public void method(){
    V v = new V();
    //use V
    //......
    v = null;
}

没有发生逃逸的对象,则可以分配到栈上,随着方法执行的结束,栈空间就被移除。

public static StringBuffer createStringBuffer(String s1,String s2){
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append(s1);
    sb.append(s2);
    return sb;
}

由于上述方法返回的 sb 在方法外被使用,发生了逃逸,上述代码如果想要 StringBuffer sb 不逃出方法,可以这样写:

public static String createStringBuffer(String s1,String s2){
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append(s1);
    sb.append(s2);
    return sb.toString();
}

逃逸分析

/**
 * 逃逸分析
 *
 *  如何快速的判断是否发生了逃逸分析,就看new的对象实体是否有可能在方法外被调用。
 */
public class EscapeAnalysis {

    public EscapeAnalysis obj;

    /*
    方法返回EscapeAnalysis对象,发生逃逸
     */
    public EscapeAnalysis getInstance(){
        return obj == null? new EscapeAnalysis() : obj;
    }
    /*
    为成员属性赋值,发生逃逸
     */
    public void setObj(){
        this.obj = new EscapeAnalysis();
    }
    //思考:如果当前的obj引用声明为static的?仍然会发生逃逸。

    /*
    对象的作用域仅在当前方法中有效,没有发生逃逸
     */
    public void useEscapeAnalysis(){
        EscapeAnalysis e = new EscapeAnalysis();
    }
    /*
    引用成员变量的值,发生逃逸
     */
    public void useEscapeAnalysis1(){
        EscapeAnalysis e = getInstance();
        //getInstance().xxx()同样会发生逃逸
    }
}

参数设置

结论

开发中能使用局部变量的,就不要使用在方法外定义。

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:将堆分配转化为栈分配。如果一个对象在子程序中被分配,要使指向该对象的指针永远不会逃逸,对象可能是栈分配的候选,而不是堆分配
  2. 同步省略: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
  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北方问道,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。

栈上分配

代码分析

以下代码,关闭逃逸分析(-XX:-DoEscapeAnalysi),维护 10000000 个对象,如果开启逃逸分析,只维护少量对象(JDK7 逃逸分析默认开启)

/**
 * 栈上分配测试
 * -Xmx1G -Xms1G -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails
 */
public class StackAllocation {
    public static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();

        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            alloc();
        }
        // 查看执行时间
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("花费的时间为: " + (end - start) + " ms");
        // 为了方便查看堆内存中对象个数,线程sleep
        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e1) {
            e1.printStackTrace();
        }
    }

    private static void alloc() {
        User user = new User();//未发生逃逸
    }

    static class User {

    }
}

同步省略

/**
 * 同步省略说明
 */
public class SynchronizedTest {
    public void f() {
        Object hollis = new Object();
        synchronized(hollis) {
            System.out.println(hollis);
        }
    }
    //代码中对hollis这个对象进行加锁,但是hollis对象的生命周期只在f()方法中
    //并不会被其他线程所访问控制,所以在JIT编译阶段就会被优化掉。
    //优化为 ↓
    public void f2() {
        Object hollis = new Object();
        System.out.println(hollis);
    }
}

分离对象或标量替换

public class ScalarTest {
    public static void main(String[] args) {
        alloc();   
    }
    public static void alloc(){
        Point point = new Point(1,2);
    }
}
class Point{
    private int x;
    private int y;
    public Point(int x,int y){
        this.x = x;
        this.y = y;
    }
}

以上代码,经过标量替换后,就会变成

public static void alloc(){
    int x = 1;
    int y = 2;
}

可以看到,Point 这个聚合量经过逃逸分析后,发现他并没有逃逸,就被替换成两个标量了。那么标量替换有什么好处呢?就是可以大大减少堆内存的占用。因为一旦不需要创建对象了,那么就不再需要分配堆内存了。
   标量替换为栈上分配提供了很好的基础。

逃逸分析小结

  • Java

    Java 是一种可以撰写跨平台应用软件的面向对象的程序设计语言,是由 Sun Microsystems 公司于 1995 年 5 月推出的。Java 技术具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性。

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  • 后端
    37 引用 • 115 回帖 • 1 关注
  • JVM

    JVM(Java Virtual Machine)Java 虚拟机是一个微型操作系统,有自己的硬件构架体系,还有相应的指令系统。能够识别 Java 独特的 .class 文件(字节码),能够将这些文件中的信息读取出来,使得 Java 程序只需要生成 Java 虚拟机上的字节码后就能在不同操作系统平台上进行运行。

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