前言

本節(jié)主要講的是運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)（堆），也就是下圖這部分，它是在類(lèi)加載完成后的階段：

圖片

• 每個(gè)線程：獨(dú)立包括程序計(jì)數(shù)器、棧、本地棧
• 線程間共享：堆、堆外內(nèi)存（永久代或元空間、代碼緩存）

當(dāng)我們通過(guò)前面的：類(lèi)的加載-> 驗(yàn)證 -> 準(zhǔn)備 -> 解析 -> 初始化 這幾個(gè)階段完成后，就會(huì)用到執(zhí)行引擎對(duì)我們的類(lèi)進(jìn)行使用，同時(shí)執(zhí)行引擎將會(huì)使用到我們運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)。

內(nèi)存是非常重要的系統(tǒng)資源，是硬盤(pán)和CPU的中間倉(cāng)庫(kù)及橋梁，承載著操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)運(yùn)行JVM內(nèi)存布局規(guī)定了Java在運(yùn)行過(guò)程中內(nèi)存申請(qǐng)、分配、管理的策略，保證了JVM的高效穩(wěn)定運(yùn)行。不同的JVM對(duì)于內(nèi)存的劃分方式和管理機(jī)制存在著部分差異。

正文

我們通過(guò)磁盤(pán)或者網(wǎng)絡(luò)IO得到的數(shù)據(jù)，都需要先加載到內(nèi)存中，然后CPU從內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，也就是說(shuō)內(nèi)存充當(dāng)了CPU和磁盤(pán)之間的橋梁。

圖片

線程

線程是一個(gè)程序里的運(yùn)行單元。JVM允許一個(gè)應(yīng)用有多個(gè)線程并行的執(zhí)行。在Hotspot JVM里，每個(gè)線程都與操作系統(tǒng)的本地線程直接映射。

當(dāng)一個(gè)Java線程準(zhǔn)備好執(zhí)行以后，此時(shí)一個(gè)操作系統(tǒng)的本地線程也同時(shí)創(chuàng)建。Java線程執(zhí)行終止后，本地線程也會(huì)回收。

操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)所有線程的安排調(diào)度到任何一個(gè)可用的CPU上。一旦本地線程初始化成功，它就會(huì)調(diào)用Java線程中的run()方法。

JVM系統(tǒng)線程:

• 虛擬機(jī)線程：需要JVM達(dá)到安全點(diǎn)才會(huì)出現(xiàn)。這些操作必須在不同的線程中發(fā)生的,原因是他們都需要JVM達(dá)到安全點(diǎn)，這樣堆才不會(huì)變化。這種線程的執(zhí)行類(lèi)型包括stop-the-world的垃圾收集，線程棧收集，線程掛起以及偏向鎖撤銷(xiāo)。
• 周期任務(wù)線程：這種線程是時(shí)間周期事件的體現(xiàn)（比如中斷），他們一般用于周期性操作的調(diào)度執(zhí)行。
• GC線程：這種線程對(duì)在JVM里不同種類(lèi)的垃圾收集行為提供了支持。
• 編譯線程：這種線程在運(yùn)行時(shí)會(huì)將字節(jié)碼編譯成到本地代碼。
• 信號(hào)調(diào)度線程：這種線程接收信號(hào)并發(fā)送給JVM，在它內(nèi)部通過(guò)調(diào)用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行處理。

堆

堆針對(duì)一個(gè)JVM進(jìn)程來(lái)說(shuō)是唯一的，也就是一個(gè)進(jìn)程只有一個(gè)JVM，但是進(jìn)程包含多個(gè)線程，他們是共享同一堆空間的。

圖片

數(shù)組和對(duì)象可能永遠(yuǎn)不會(huì)存儲(chǔ)在棧上，因?yàn)闂斜４嬉?，這個(gè)引用指向?qū)ο蠡蛘邤?shù)組在堆中的位置，在方法結(jié)束后，堆中的對(duì)象不會(huì)馬上被移除，僅僅在垃圾收集的時(shí)候才會(huì)被移除。

堆內(nèi)存細(xì)分

Java 7及之前堆內(nèi)存邏輯上分為三部分：新生區(qū)+老年區(qū)+永久區(qū)

• Young Generation Space 新生區(qū)，又被劃分為Eden區(qū)和Survivor區(qū)
• Tenure generation space 老年區(qū)
• Permanent Space 永久區(qū)

Java 8及之后堆內(nèi)存邏輯上分為三部分：新生區(qū)+老年區(qū)+元空間

• Young Generation Space 新生區(qū)，又被劃分為Eden區(qū)和Survivor區(qū)
• Tenure generation space 老年區(qū)
• Meta Space 元空間

Jdk1.6

圖片

Jdk1.7

圖片

Jdk1.8

圖片

設(shè)置堆內(nèi)存大小

• -Xms用于表示堆區(qū)的起始內(nèi)存，等價(jià)于-XX:InitialHeapSize，默認(rèn)物理電腦內(nèi)存大小/64
• -Xmx則用于表示堆區(qū)的最大內(nèi)存，等價(jià)于-XX:MaxHeapSize，默認(rèn)物理電腦內(nèi)存大小/4

通常會(huì)將-Xms和-Xmx兩個(gè)參數(shù)配置相同的值，其目的是為了能夠在Java垃圾回收機(jī)制清理完堆區(qū)后不需要重新分隔計(jì)算堆區(qū)的大小，從而提高性能。

一旦堆區(qū)中的內(nèi)存大小超過(guò)-Xmx所指定的最大內(nèi)存時(shí)，將會(huì)拋出OutOfMemoryError異常

年輕代與老年代

存儲(chǔ)在JVM中的Java對(duì)象可以被劃分為兩類(lèi)：

• 生命周期較短的瞬時(shí)對(duì)象，這類(lèi)對(duì)象的創(chuàng)建和消亡都非常迅速。
• 生命周期非常長(zhǎng)，在某些極端的情況下還能夠與JVM的生命周期保持一致。

圖片

• 默認(rèn)-XX:NewRatio=2，表示新生代占1，老年代占2。
• Eden空間和另外兩個(gè)survivor空間缺省所占的比例是8：1：1。

圖片

• jinfo -flag NewRatio 進(jìn)程號(hào) 可查看相關(guān)屬性值
• jinfo -flag SurvivorRatio 進(jìn)程號(hào) 可查看相關(guān)屬性值

對(duì)象分配過(guò)程

為新對(duì)象分配內(nèi)存是一件非常嚴(yán)謹(jǐn)和復(fù)雜的任務(wù)，JVM的設(shè)計(jì)者們不僅需要考慮內(nèi)存如何分配、在哪里分配等問(wèn)題，并且由于內(nèi)存分配算法與內(nèi)存回收算法密切相關(guān)，所以還需要考慮GC執(zhí)行完內(nèi)存回收后是否會(huì)在內(nèi)存空間中產(chǎn)生內(nèi)存碎片

圖片

1. new的對(duì)象先放伊甸園區(qū)。此區(qū)有大小限制。
2. 當(dāng)伊甸園的空間填滿(mǎn)時(shí)，程序又需要?jiǎng)?chuàng)建對(duì)象，JVM的垃圾回收器將對(duì)伊甸園區(qū)進(jìn)行垃圾回收（MinorGC），將伊甸園區(qū)中的不再被其他對(duì)象所引用的對(duì)象進(jìn)行銷(xiāo)毀，再加載新的對(duì)象放到伊甸園區(qū)。
3. 然后將伊甸園中的剩余對(duì)象移動(dòng)到幸存者s0區(qū)。
4. 如果再次觸發(fā)垃圾回收，此時(shí)上次幸存下來(lái)的放到幸存者s0區(qū)的，如果沒(méi)有回收，就會(huì)放到幸存者s1區(qū)。
5. 如果再次經(jīng)歷垃圾回收，此時(shí)會(huì)重新放回幸存者s0區(qū)，接著再去幸存者s1區(qū)。
6. 啥時(shí)候能去養(yǎng)老區(qū)呢？可以設(shè)置次數(shù)。默認(rèn)是15次 ，進(jìn)行設(shè)置-Xx:MaxTenuringThreshold= N。
7. 在養(yǎng)老區(qū)，相對(duì)悠閑。當(dāng)養(yǎng)老區(qū)內(nèi)存不足時(shí)，再次觸發(fā)GC：Major GC，進(jìn)行養(yǎng)老區(qū)的內(nèi)存清理。
8. 若養(yǎng)老區(qū)執(zhí)行了Major GC之后，發(fā)現(xiàn)依然無(wú)法進(jìn)行對(duì)象的保存，就會(huì)產(chǎn)生OOM異常。

• 針對(duì)幸存者s0，s1區(qū)的總結(jié)：復(fù)制之后又交換，誰(shuí)空誰(shuí)是to。
• 垃圾回收：頻繁在新生區(qū)收集，很少在老年代收集，幾乎不在永久代和元空間進(jìn)行收集。

Minor GC，MajorGC、Full GC

JVM在進(jìn)行GC時(shí)，并非每次都對(duì)上面三個(gè)內(nèi)存區(qū)域一起回收的，大部分時(shí)候回收的都是指新生代。

針對(duì)Hotspot VM的實(shí)現(xiàn)，它里面的GC按照回收區(qū)域又分為兩大種類(lèi)型：一種是部分收集（Partial GC），一種是整堆收集（FullGC）

• 部分收集：不是完整收集整個(gè)Java堆的垃圾收集。其中又分為：

新生代收集（Minor GC / Young GC）：只是新生代的垃圾收集。

老年代收集（Major GC / Old GC）：只是老年代的圾收集。

混合收集（MixedGC）：收集整個(gè)新生代以及部分老年代的垃圾收集。

• 整堆收集（Full GC）：收集整個(gè)Java堆和方法區(qū)的垃圾收集。

• 目前，只有CMS GC會(huì)有單獨(dú)收集老年代的行為，很多時(shí)候Major GC會(huì)和Full GC混淆使用，需要具體分辨是老年代回收還是整堆回收。
• 目前，只有G1 GC會(huì)有混合收集。

年輕代GC（Minor GC）觸發(fā)機(jī)制

• 當(dāng)年輕代空間不足時(shí)，就會(huì)觸發(fā)MinorGC，這里的年輕代滿(mǎn)指的是Eden代滿(mǎn)，Survivor滿(mǎn)不會(huì)引發(fā)GC。（每次Minor GC會(huì)清理年輕代的內(nèi)存。）
• Minor GC會(huì)引發(fā)STW，暫停其它用戶(hù)的線程，等垃圾回收結(jié)束，用戶(hù)線程才恢復(fù)運(yùn)行 。

老年代GC（Major GC / Full GC）觸發(fā)機(jī)制

• 對(duì)象從老年代消失時(shí)，我們說(shuō)Major GC或 Full GC發(fā)生了。
• 出現(xiàn)了Major Gc，經(jīng)常會(huì)伴隨至少一次的Minor GC。
• 如果Major GC后，內(nèi)存還不足，就報(bào)OOM。

內(nèi)存分配策略

如果對(duì)象在Eden出生并經(jīng)過(guò)第一次Minor GC后仍然存活，并且能被Survivor容納的話，將被移動(dòng)到survivor空間中，并將對(duì)象年齡設(shè)為1。對(duì)象在survivor區(qū)中每熬過(guò)一次MinorGC，年齡就增加1歲，當(dāng)它的年齡增加到一定程度（默認(rèn)為15歲，其實(shí)每個(gè)JVM、每個(gè)GC都有所不同）時(shí)，就會(huì)被晉升到老年代。

對(duì)不同年齡段的對(duì)象分配原則如下所示：

• 優(yōu)先分配到Eden
• 大對(duì)象直接分配到老年代（盡量避免程序中出現(xiàn)過(guò)多的大對(duì)象）
• 長(zhǎng)期存活的對(duì)象分配到老年代
• 動(dòng)態(tài)對(duì)象年齡判斷：如果survivor區(qū)中相同年齡的所有對(duì)象大小的總和大于Survivor空間的一半，年齡大于或等于該年齡的對(duì)象可以直接進(jìn)入老年代，無(wú)須等到MaxTenuringThreshold中要求的年齡。
• 空間分配擔(dān)保：-XX:HandlePromotionFailure

圖片

TLAB

為什么有TLAB

• 堆區(qū)是線程共享區(qū)域，任何線程都可以訪問(wèn)到堆區(qū)中的共享數(shù)據(jù) 。
• 由于對(duì)象實(shí)例的創(chuàng)建在JVM中非常頻繁，因此在并發(fā)環(huán)境下從堆區(qū)中劃分內(nèi)存空間是線程不安全的 。
• 為避免多個(gè)線程操作同一地址，需要使用加鎖等機(jī)制，進(jìn)而影響分配速度。

什么是TLAB

圖片

• 從內(nèi)存模型而不是垃圾收集的角度，對(duì)Eden區(qū)域繼續(xù)進(jìn)行劃分，JVM為每個(gè)線程分配了一個(gè)私有緩存區(qū)域，它包含在Eden空間內(nèi)。
• 多線程同時(shí)分配內(nèi)存時(shí)，使用TLAB可以避免一系列的非線程安全問(wèn)題，同時(shí)還能夠提升內(nèi)存分配的吞吐量，因此我們可以將這種內(nèi)存分配方式稱(chēng)之為快速分配策略 。

盡管不是所有的對(duì)象實(shí)例都能夠在TLAB中成功分配內(nèi)存，但JVM確實(shí)是將TLAB作為內(nèi)存分配的首選。

圖片

堆空間的參數(shù)設(shè)置

-XX:+PrintFlagsInitial  //查看所有的參數(shù)的默認(rèn)初始值
-XX:+PrintFlagsFinal  //查看所有的參數(shù)的最終值（可能會(huì)存在修改，不再是初始值）
-Xms  //初始堆空間內(nèi)存（默認(rèn)為物理內(nèi)存的1/64）
-Xmx  //最大堆空間內(nèi)存（默認(rèn)為物理內(nèi)存的1/4）
-Xmn  //設(shè)置新生代的大小。（初始值及最大值）
-XX:NewRatio  //配置新生代與老年代在堆結(jié)構(gòu)的占比
-XX:SurvivorRatio  //設(shè)置新生代中Eden和S0/S1空間的比例
-XX:MaxTenuringThreshold  //設(shè)置新生代垃圾的最大年齡
-XX:+PrintGCDetails //輸出詳細(xì)的GC處理日志
//打印gc簡(jiǎn)要信息：①-Xx：+PrintGC ② - verbose:gc
-XX:HandlePromotionFalilure：//是否設(shè)置空間分配擔(dān)保

堆是分配對(duì)象的唯一選擇么？

隨著JIT編譯期的發(fā)展與逃逸分析技術(shù)逐漸成熟，棧上分配、標(biāo)量替換優(yōu)化技術(shù)將會(huì)導(dǎo)致一些微妙的變化，所有的對(duì)象都分配到堆上也漸漸變得不那么絕對(duì)了。

在Java虛擬機(jī)中，對(duì)象是在Java堆中分配內(nèi)存的，這是一個(gè)普遍的常識(shí)。但是，有一種特殊情況，那就是如果經(jīng)過(guò)逃逸分析（Escape Analysis）后發(fā)現(xiàn)，一個(gè)對(duì)象并沒(méi)有逃逸出方法的話，那么就可能被優(yōu)化成棧上分配。這樣就無(wú)需在堆上分配內(nèi)存，也無(wú)須進(jìn)行垃圾回收了。這也是最常見(jiàn)的堆外存儲(chǔ)技術(shù)。

逃逸分析的基本行為就是分析對(duì)象動(dòng)態(tài)作用域：

• 當(dāng)一個(gè)對(duì)象在方法中被定義后，對(duì)象只在方法內(nèi)部使用，則認(rèn)為沒(méi)有發(fā)生逃逸。
• 當(dāng)一個(gè)對(duì)象在方法中被定義后，它被外部方法所引用，則認(rèn)為發(fā)生逃逸。例如作為調(diào)用參數(shù)傳遞到其他地方中。

public class EscapeAnalysis {

    public EscapeAnalysis obj;

    /**
     * 方法返回EscapeAnalysis對(duì)象，發(fā)生逃逸
     * @return
     */
    public EscapeAnalysis getInstance() {
        return obj == null ? new EscapeAnalysis() : obj;
    }

    /**
     * 為成員屬性賦值，發(fā)生逃逸
     */
    public void setObj() {
        this.obj = new EscapeAnalysis();
    }

    /**
     * 對(duì)象的作用于僅在當(dāng)前方法中有效，沒(méi)有發(fā)生逃逸
     */
    public void useEscapeAnalysis() {
        EscapeAnalysis e = new EscapeAnalysis();
    }

    /**
     * 引用成員變量的值，發(fā)生逃逸
     */
    public void useEscapeAnalysis2() {
        EscapeAnalysis e = getInstance();
    }
}

使用逃逸分析，編譯器可以對(duì)代碼做如下優(yōu)化：

• 一、棧上分配：將堆分配轉(zhuǎn)化為棧分配。如果一個(gè)對(duì)象在子程序中被分配，要使指向該對(duì)象的指針永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生逃逸，對(duì)象可能是棧上分配的候選，而不是堆上分配。
• 二、同步省略：如果一個(gè)對(duì)象被發(fā)現(xiàn)只有一個(gè)線程被訪問(wèn)到，那么對(duì)于這個(gè)對(duì)象的操作可以不考慮同步。
• 三、分離對(duì)象或標(biāo)量替換：有的對(duì)象可能不需要作為一個(gè)連續(xù)的內(nèi)存結(jié)構(gòu)存在也可以被訪問(wèn)到，那么對(duì)象的部分（或全部）可以不存儲(chǔ)在內(nèi)存，而是存儲(chǔ)在CPU寄存器中。