45. JVM--堆
1. 堆的核心概述
一个进程对应一个JVM的实例，一个JVM实例中只有一个运行时数据区，里面只有一个方法区和堆，一个进程的多个线程共享方法区和堆，那就要考虑线程的安全问题。
每个线程各有一套程序计数器、本地方法栈、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，堆是JVM管理的最大一块内存空间， 并且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，并发性就差，在这里还可以划分线程私有的缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），提高并发性。
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。（The heap is the run-time data area from which memory for all class instances and arrays is allocated）
6、“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。因为还有一些对象是在栈上分配的
7、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。
8、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。也就是触发了GC的时候，才会进行回收。
如果栈里面对象引用一出栈，堆里面的对象立马GC，会造成GC的频率特别高，会影响用户线程的执行
9、堆，是GC（Garbage Collection，垃圾收集器）执行垃圾回收的重点区域。
虚拟机栈没有GC，只有入栈和出栈
对象实体所属的类是什么，定义的结构方法都在哪里？在方法区中。
一个JVM实例只存在一个堆内存，并且堆内存的大小是可以调节的
如何设置堆内存大小
-Xms10m -Xmx10m
Xms：堆区的起始内存
Xmx：堆区的最大内存
使用 JDK 自带的工具：Java VisualVM ，来查看堆内存
Java VisualVM 在 JDK 的 bin 目录下
堆空间设置的大小=新生代+老年代，不包括元空间。
● 堆内存分区：
2. 设置堆内存大小与 OOM
● 设置堆空间大小
1、Java堆区用于存储Java对象实例，那么堆的大小在JVM启动时就已经设定好了，大家可以通过选项"-Xms"和"-Xmx"来进行设置。
-Xms用于表示堆区的起始内存，等价于-XX:InitialHeapSize
-Xmx则用于表示堆区的最大内存，等价于-XX:MaxHeapSize
2、一旦堆区中的内存大小超过“-Xmx"所指定的最大内存时，将会抛出OutofMemoryError异常。
3、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不需要重新分隔计算堆区的大小，从而提高性能。
4、默认情况下:
初始内存大小：物理电脑内存大小/64
最大内存大小：物理电脑内存大小/4
/**
* 1. 设置堆空间大小的参数
* -Xms 用来设置堆空间（年轻代+老年代）的初始内存大小
* -X 是jvm的运行参数
* ms 是memory start
* -Xmx 用来设置堆空间（年轻代+老年代）的最大内存大小
*
* 2. 默认堆空间的大小
* 初始内存大小：物理电脑内存大小 / 64
* 最大内存大小：物理电脑内存大小 / 4
* 3. 手动设置：-Xms600m -Xmx600m
* 开发中建议将初始堆内存和最大的堆内存设置成相同的值。
因为如果不一样，空间不够要扩容，空闲时候要释放，频繁的扩容和释放会造成系统的压力
*/
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" );
System.out.println( "-Xmx : " + maxMemory + "M" );
System.out.println( "系统内存大小为：" + initialMemory * 64.0 / 1024 + "G" );
System.out.println( "系统内存大小为：" + maxMemory * 4.0 / 1024 + "G" );
}
}
-Xms : 123M
-Xmx : 1801M
系统内存大小为：7.6875G
系统内存大小为：7.03515625G
● OOM 举例
/**
* -Xms600m -Xmx600m
*/
public class OOMTest {
public static void main(String[] args) {
ArrayList<Picture> list = new ArrayList<>();
while ( true ){
try {
Thread.sleep( 20 );
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
list.add( new Picture( new Random().nextInt( 1024 * 1024 )));
}
}
}
class Picture{
private byte [] pixels;
public Picture( int length) {
this .pixels = new byte [length];
}
}
监控堆内存变化：Old 区域一点一点在变大，直到最后一次垃圾回收器无法回收垃圾时，堆内存被撑爆，抛出 OutOfMemoryError 错误
堆内存变化图
分析原因：大对象导致堆内存溢出
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：
1、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
1）生命周期短的，及时回收即可
2）另外一类对象的生命周期却非常长，在某些极端的情况下还能够与JVM的生命周期保持一致
2、Java堆区进一步细分的话，可以划分为年轻代（YoungGen）和老年代（oldGen）
3、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，这两个区的大小是相等的）
对于生命周期比较短的，及时回收就可以了，对于生命周期比较长的，没必要每次GC的时候都判断要不要回收他，每次还不回收，就有点浪费， 那就可以放在不经常回收判断的位置就是老年代。
● 配置新生代与老年代的比例 （一般不会调）
1、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
2、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
当发现在整个项目中，生命周期长的对象偏多，那么就可以通过调整老年代的大小，来进行调优
● 新生区中的比例
1、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
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
2、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（有些大的对象在Eden区无法存储时候，将直接进入老年代）
3、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。
4、新生区的对象默认生命周期超过 15 ，就会去养老区养老
4. 图解对象分配过程
1、我们创建的对象，一般都是存放在Eden区的，当我们Eden区满了后，就会触发GC操作，一般被称为 YGC / Minor GC操作。
Eden和S0、S1的比例是8:1:1，只有Eden满了才出发YGC，S0满了不会触发YGC，但是触发YGC时候会把Eden和S0一起回收。
2、当我们进行一次垃圾收集后， 红色的对象将会被回收（不再被使用，没有引用指向他），而绿色的还被使用着，存放在S0(Survivor From)区。
同时我们给每个对象设置了一个年龄计数器， 经过一次回收后还存在的对象，将其年龄加 1。
3、同时Eden区继续存放对象，当Eden区再次存满的时候，又会触发一个MinorGC操作，此时GC将会把 Eden和Survivor From中的对象进行一次垃圾收集，
把存活的对象放到 Survivor To区，同时让存活的对象年龄 + 1， 现在S1是From区，S0是To区（经过一次MinorGC后谁空谁就是To区）。
4、我们继续不断的进行对象生成和垃圾回收，当Survivor中的对象的年龄达到15的时候，将会触发一次 Promotion 晋升的操作，也就是将年轻代中的对象晋升到老年代中.
可以设置新生区进入养老区的年龄限制，设置 JVM 参数：-XX:MaxTenuringThreshold=N 进行设置
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
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：
1、针对幸存者s0, s1区的总结:复制之后有交换，谁空谁是to.
2、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
-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）
-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
5. Minor GC、Major GC、Full GC
1、我们都知道，JVM的调优的一个环节，也就是垃圾收集，我们需要尽量的避免垃圾回收，因为在垃圾回收的过程中，容易出现STW（Stop the World）的问题，
而 Major GC 和 Full GC出现STW的时间，是Minor GC的10倍以上
2、JVM在进行GC时，并非每次都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（FullGC）
● 部分收集：
不是完整收集整个Java堆的垃圾收集。其中又分为：
1、新生代收集（Minor GC/Young GC）：只是新生代的垃圾收集
2、老年代收集: （Major GC/Old GC）：只是老年代的圾收集。
注意，很多时候Major GC会和Full GC混淆使用，需要具体分辨是老年代回收还是整堆回收。
● 整堆收集（Full GC）：
收集整个java堆和方法区的垃圾收集。
● 年轻代 GC（Minor GC）触发机制
1、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）
2、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。这一定义既清晰又易于理解。
3、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，一般回收速度也比较快，所以对用户线程影响比较小，影响较大的是老年代GC，STW时间较长。
● 老年代 GC（MajorGC/Full GC）触发机制
1、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
2、出现了MajorGc，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MajorGC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
3、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
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吗？
经研究，不同对象的生命周期不同。70%-99%的对象是临时对象。
1、新生代：有Eden、两块大小相同的survivor（又称为from/to，s0/s1）构成，to总为空。
2、老年代：存放新生代中经历多次GC仍然存活的对象。长期存活的对象分配到老年代
其实不分代完全可以， 分代的唯一理由就是优化GC性能
1、如果没有分代，那所有的对象都在一块，就如同把一个学校的人都关在一个教室。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。
2、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。
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，一般回收速度也比较快，所以对用户线程影响比较小，
影响较大的是老年代GC，STW时间较长，对GC的优化减少GC出现的频率
就像疫情的核酸检测，将城阳区人群分为：1、本地没出去的人 2、疫区回来的人 3、得过新冠的人，如果都每隔两天进行全员核酸检测代价太大，对本地可以十天一次核酸检测，疫区回来的一周一次，得过的三天一次。
7. TLAB：Thread Local Allocation Buffer
● 问题：堆空间都是共享的么？
不一定，因为还有TLAB这个概念，在堆中划分出一块区域，为每个线程所独占
● 为什么有TLAB（Thread Local Allocation Buffer）？
1、TLAB：Thread Local Allocation Buffer，也就是为每个线程单独分配了一个缓冲区
2、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
3、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？
1、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。
2、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。
1、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。
2、默认情况下，TLAB空间的内存非常小，仅占有整个Eden空间的1%
3、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。
● 堆小结：
1、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。
2、JVM为每个线程分配了一个私有缓存区域TLAB，将TLAB作为内存分配的首选
如果对象较大，无法分配在 TLAB 上，则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。
3、当GC只发生在年轻代中，回收年轻代对象的行为被称为Minor GC。 当GC发生在老年代时则被称为Major GC或者Full GC。
一般的，Minor GC的发生频率要比Major GC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。
