Java 堆空间(Heap Space)

概述

在Java程序中，堆是JVM内存空间中最大的一块，同时我们知道，每个线程都拥有一个虚拟机栈，但是堆不同，Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。

在《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堆上分配“，但是实际情况是几乎所有的对象都是分配在堆空间的，也有少部分情况比较特殊。这是因为由于即时编译技术的进步，尤其是逃逸分析技术的日渐强大，栈上分配、标量替换优化手段已经导致一些微妙的变化悄然发生，所以说Java对象实例都分配在堆上也渐渐变得不是那么绝对了。

《Java虚拟机规范》里对Java堆进行了更进一步的细致划分：“Java虚拟机的堆内存分为新生代、老年代、永久代、Eden、Survivor……”，并且会根据区域的不同设计不同的垃圾回收期(GC)。

总结一下要点：

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。

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。

《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。

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，简称 TLAB）。

《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。

从实际使用角度看：“几乎”所有的对象实例都在堆分配内存，但并非全部。因为还有一些对象是在栈上分配的（逃逸分析，标量替换）

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。

也就是触发了GC的时候，才会进行回收

如果堆中对象马上被回收，那么用户线程就会收到影响，因为有stop the word

堆，是GC（Garbage Collection，垃圾收集器）执行垃圾回收的重点区域。

Java堆空间结构

存储在JVM中的Java对象可以被划分为两类：

一类对象的生命周期较短，这种对象的创建和消亡都十分迅速

另一类对象的生命周期很长，在某些极端情况下甚至可以和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）

在默认的情况下(可以根据实际情况修改设置)，新生区占堆空间的三分之一，老年代占堆空间的三分之二。

在HotSpot中，Eden区空间和其他两个Survivor区空间的默认比例是 8 : 1 : 1。同时开发人员可以通果设置选项-XX:SurvivorRatio调整这个空间的比例。

大部分对象都是在Eden区中被创建出来的。

绝大多数的Java对象都在新生代中销毁(朝生暮死)

对象分配过程

对象分配是一个严谨且复杂的过程，设计者需要考虑内存的分配，以为实际的分配与垃圾回收算法密切相关。

流程说明：

创建出的新对象正常先放到Eden区，但是要判断Eden空间是否足够。

如果足够，就放入Eden区。

如果Eden区空间不足，会对Eden区进行垃圾回收(Minor GC)，将伊甸区中不被引用的对象进行销毁操作，将新创建的对象放入Eden区。

同时将Eden区存活的对象移动到Servivor0区

如果之后触发垃圾回收机制，在Servivor0区中存活的对象会放到Servivor1区中，在经历垃圾回收机制Servivor1区存活的对象就在移动到Servivor0区，同时对象有一个"年龄"就是经历垃圾回收的次数，当经历过15次GC时，就会将这个对象移动到Old区。

对于S0和S1区来讲：复制有交换，谁空谁是to

如果Eden区内经历过GC后存活下来的对象转移到Servivor区，但是Servivor存放不下，就将这个对象移动到Old区

在Old区，GC的次数相对少一些，当Old区不足时进行Major GC。

如果进行了Major GC后仍然无法将对象进行储存，就会报OOM

流程图：

关于GC的说明(Minor GC、Major GC、Full GC)

JVM的调优的一个环节，也就是垃圾收集GC，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。

JVM在进行GC时，并非每次都对上面三个内存区域一起回收的，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（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：

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。

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。

MinorGC

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满不会主动引发GC，在Eden区满的时候，会顺带触发s0区的GC，也就是被动触发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。这一定义既清晰又易于理解。

Minor GC会引发STW（Stop The World），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

Major/Full GC

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

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，就会报OOM

Major GC通常是跟full GC是等价的，收集整个GC堆。但因为HotSpot VM发展了这么多年，外界对各种名词的解读已经完全混乱了，当有人说“major GC”的时候一定要问清楚他想要指的是上面的full GC还是old GC。

Partial GC(部分GC): 并不收集整个GC堆的模式

Young GC：只收集young gen的GC。

Old GC：只收集old gen的GC。只有CMS的concurrent collection是这个模式。

Mixed GC：收集整个young gen以及部分old gen的GC。只有G1有这个模式。

Full GC：收集整个堆，包括young gen、old gen、perm gen永久代 (如果存在的话）等所有部分的模式。

young GC：当young gen中的eden区分配满的时候触发。注意young GC中有部分存活对象会晋升到old gen，所以young GC后old gen的占用量通常会有所升高。

full GC：当准备要触发一次young GC时，如果发现统计数据说之前young GC的平均晋升大小比目前old gen剩余的空间大，则不会触发young GC而是转为触发full GC（因为HotSpot VM的GC里，除了CMS的concurrent collection之外，其它能收集old gen的GC都会同时收集整个GC堆，包括young gen，所以不需要事先触发一次单独的young GC）；或者，如果有perm gen的话，要在perm gen分配空间但已经没有足够空间时，也要触发一次full GC；或者System.gc()、heap dump带GC，默认也是触发full GC。

为对象分配内存 (TLAB)

为什么要有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。

如果有了TLAB，每个线程将自己要操控的对象放到自己的TLAB区域，就能在一定程度上避免了线程安全问题。

TLAB说明

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。

很多OpenJDK衍生出来的JVM都提供了TLAB的设计。

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。

TLAB分配流程图：