【笔记】JVM之堆(二)

2020-07-14 | 阅读：次 |本站总访问量次 | 本站访客数人

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
- 另外一类对象的声明周期却非常长，在某些极端的情况下还能够与JVM的生命周期保持一致
Java堆区进一步细分的话，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空间、Survivor0空间和Survivor1空间（有时也叫做from区、to区）

NewRatio 的值是老年代和新生代的比值

在HotSpot中，Eden空间和另外两个Survivor空间缺省所占的比例是8：1：1
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

/**
 * -Xms600m -Xmx600m
 *
 * -XX:NewRatio ： 设置新生代与老年代的比例。默认值是2.
 * -XX:SurvivorRatio ：设置新生代中Eden区与Survivor区的比例。默认值是8  不显示指定的话实际不是8：1：1，因为受自适应内存分** 配策略的影响，但是往往不能通过关闭它（下条指令)来实现8：1；1，应该通过设置-XX:SurvivorRatio=8来显示设置才可以
 * -XX:-UseAdaptiveSizePolicy ：关闭（-号）自适应的内存分配策略  （暂时用不到）
 * -Xmn:设置新生代的空间的大小。 （一般不设置）
 *
 * @author shkstart  shkstart@126.com
 * @create 2020  17:23
 */
public class EdenSurvivorTest {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("我只是来打个酱油~");
        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

4.图像对象分配过程

对象分配过程：概述

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

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的垃圾回收器对伊甸园进行垃圾回收（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。再加载新的对象放在伊甸园区

3.然后将伊甸园区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在幸存者0区的，如果没有回收，就会放在幸存者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=N进行设置
7.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

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

java.lang.OutOfMemoryError:Java heap space

注意：

伊甸园区满的时候触发YGC/Minor GC,当时幸存者区满不会触发YGC/Minor GC

幸存者区满的时候对象直接晋升到老年区

总结:
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。

对象分配的特殊情况

5.Minor GC、Major GC、Full GC

Minor GC完全等同于YGC

MajorGC和Full GC不等同

GC与STW stop the world:GC执行会暂停用户线程，会导致程序吞吐量差

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。

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）

部分收集：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）:只是新生代（Eden\S0,S1）的垃圾收集

老年代收集(Major GC/Old GC)：只是老年代的垃圾收集

目前，只有CMS GC会有单独收集老年代的行为

注意：很多时候Major GC和Full GC混淆使用，需要具体分辨是老年代回收还是整堆回收。

混合收集（Mixed GC）: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（Full GC）：收集整个Java堆和方法区的垃圾收集。

最简单的分代式GC策略的触发条件

新生代触发机制

年轻代GC(Minor 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。

Minor GC会引发STW，暂停其他用户的线程，等垃圾回收结束，用户线程才恢复运行。

老年代触发机制

老年代GC（Major GC/Full 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，则触发Major GC.

Major GC的速度一般会比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

Full GC触发机制

Full GC触发机制: (后面细讲)

触发Fu1l GC执行的情况有如下五种:

(1)调用System. gc()时，系统建议执行Fu1l 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、survivor space0 (From Space) 区向survivor space1 (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。这样暂时时间会短一些。

GC举例与日志分析

/**
 * 测试MinorGC 、 MajorGC、FullGC
 * -Xms9m -Xmx9m -XX:+PrintGCDetails
 */
public class GCTest {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        try {
            List<String> list = new ArrayList<>();
            String a = "atguigu.com";
            while (true) {
                list.add(a);
                a = a + a;
                i++;
            }

        } catch (Throwable t) {
            t.printStackTrace();
            System.out.println("遍历次数为：" + i);
        }
    }
}

输出：

[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 2047K->492K(2560K)] 2047K->828K(9728K), 0.0019206 secs] [Times: user=0.02 sys=0.02, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 2312K->480K(2560K)] 2648K->1836K(9728K), 0.0012836 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 1941K->478K(2560K)] 3297K->2538K(9728K), 0.0009391 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 1257K->0K(2560K)] [ParOldGen: 6284K->4850K(7168K)] 7541K->4850K(9728K), [Metaspace: 3230K->3230K(1056768K)], 0.0083661 secs] [Times: user=0.01 sys=0.02, real=0.01 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(2560K)] 4850K->4850K(9728K), 0.0006964 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(2560K)] [ParOldGen: 4850K->4832K(7168K)] 4850K->4832K(9728K), [Metaspace: 3230K->3230K(1056768K)], 0.0077219 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
遍历次数为：16
Heap
 PSYoungGen      total 2560K, used 100K [0x00000000ffd00000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
  eden space 2048K, 4% used [0x00000000ffd00000,0x00000000ffd19300,0x00000000fff00000)
  from space 512K, 0% used [0x00000000fff80000,0x00000000fff80000,0x0000000100000000)
  to   space 512K, 0% used [0x00000000fff00000,0x00000000fff00000,0x00000000fff80000)
 ParOldGen       total 7168K, used 4832K [0x00000000ff600000, 0x00000000ffd00000, 0x00000000ffd00000)
  object space 7168K, 67% used [0x00000000ff600000,0x00000000ffab8048,0x00000000ffd00000)
 Metaspace       used 3262K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 353K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3332)
	at java.lang.AbstractStringBuilder.ensureCapacityInternal(AbstractStringBuilder.java:124)
	at java.lang.AbstractStringBuilder.append(AbstractStringBuilder.java:448)
	at java.lang.StringBuilder.append(StringBuilder.java:136)
	at com.atguigu.java1.GCTest.main(GCTest.java:20)

6.堆空间分代思想

为什么需要把Java堆分代？不分代就不能正常工作了吗？

7.内存分配策略

或对象提升（Promotion）规则

如果对象在Eden出生并经过第一次MinorGC 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中。

对象晋升老年代的年龄阈值，可以通过选项-XX : MaxTenuringThreshold来设置。

什么时候对象进入老年代？

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 ➢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

举例

8.为对象分配内存：TLAB

为什么有TLAB（Thread Local Allocation Buffer）?

堆区是线程共享区域，任何线程都可以访问到堆区种的共享数据
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。

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。

●据我所知所有openJDK衍生出来的JVM都提供了TLAB的设计。

TLAB再说明

●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。

9.小结堆空间的参数设置

官方文档说明：

https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html

/**
 * 测试堆空间常用的jvm参数：
 * -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）
 *      具体查看某个参数的指令： jps：查看当前运行中的进程
 *                             jinfo -flag SurvivorRatio 进程id
 *
 * -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
 */

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: HandlePromot ionFailure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0penJDK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 (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。

逃逸分析概述

●如何将堆上的对象分配到栈,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的使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他地方中。

/**
 * 逃逸分析
 *
 *  如何快速的判断是否发生了逃逸分析，大家就看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

在JDK 6u23版本之后，HotSpot中默认就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:

一、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。

二、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。

三、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。

代码优化之栈上分配

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。

常见的栈上分配的场景 ➢在逃逸分析中，已经说明了。分别是给成员变量赋值、方法返回值、实例引用传递。

/**
 * 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 {

    }
}

代码优化之同步省略（消除）

代码优化之标量替换

/**
 * 标量替换测试
 *  -Xmx100m -Xms100m -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC -XX:-EliminateAllocations
 */
public class ScalarReplace {
    public static class User {
        public int id;
        public String name;
    }

    public static void alloc() {
        User u = new User();//未发生逃逸
        u.id = 5;
        u.name = "www.atguigu.com";
    }

    public static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            alloc();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("花费的时间为： " + (end - start) + " ms");
    }
}

/*
class Customer{
    String name;
    int id;
    Account acct;

}

class Account{
    double balance;
}


 */

逃逸分析小结：逃逸分析并不成熟

逃逸分析小结:逃逸分析并不成熟 ●关于逃逸分析的论文在1999年就已经发表了，但直到JDK 1.6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的，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。

●注意到有一些观点，认为通过逃逸分析，JVM会在栈上分配那些不会逃逸的对象，这在理论上是可行的，但是取决于JVM设计者的选择。据我所知，Oracle HotspotJVM中并未这么做，这一点在逃逸分析相关的文档里已经说明，所以可以明确所有的对象实例都是创建在堆上。

●目前很多书籍还是基于JDK 7以前的版本，JDK已经发生了很大变化，intern字符串的缓存和静态变量曾经都被分配在永久代上，而永久代已经被元数据区取代。但是，intern字符串缓存和静态变量并不是被转移到元数据区，而是直接在堆上分配，所以这一点同样符合前面一点的结论:对象实例都是分配在堆上。

总结

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Ful1GC。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。

肖申克赫本