JVM体系结构之六：堆Heap之1

一、简介

　　对于大多数应用来说，Java 堆（Java Heap）是Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块。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。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。　　
　　Java把内存分成两种：栈内存和堆内存。关于堆内存和栈内存的区别与联系。简单的来讲，堆内存用于存放由new创建的对象和数组，在堆中分配的内存，由java虚拟机自动垃圾回收器来管理。而栈内存由使用的人向系统申请，申请人进行管理。

二、堆的结构

分代的内存管理，分成：新生代、老年代和永久代（1.8中无永久代，使用metaspace实现）三块区域。

堆被划分成两个不同的区域：新生代 ( Young )、老年代 ( Old )。新生代 ( Young ) 又被划分为三个区域：Eden、From Survivor、To Survivor。如下：

• Eden区：新对象或者生命周期很短的对象会存储在这个区域中，这个区的大小可以通过-XX:NewSize和-XX:MaxNewSize参数来调整。新生代GC（垃圾回收器）会清理这一区域。
• Survivor区：两个幸存区，那些历经了Eden区的垃圾回收仍能存活下来的依旧存在引用的对象会待在这个区域。这个区的大小可以由JVM参数-XX:SurvivorRatio来进行调节。
• 老年代：新对象会首先分配在Eden中（如果对象过大，比如大数组，将会直接放到老年代）。在GC中，Eden中的对象会被移动到survivor中，直至对象满足一定的年纪（定义为熬过minor GC的次数），会被移动到老年代。年老代中的对象的回收是由老年代的GC（major GC）来进行的。

这样划分的目的是为了使 JVM 能够更好的管理堆内存中的对象，包括内存的分配以及回收。

三、对象分配规则

• 对象优先分配在Eden区，如果Eden区没有足够的空间时，虚拟机执行一次Minor GC。
• 大对象直接进入老年代（大对象是指需要大量连续内存空间的对象）。这样做的目的是避免在Eden区和两个Survivor区之间发生大量的内存拷贝（新生代采用复制算法收集内存）。
• 长期存活的对象进入老年代。虚拟机为每个对象定义了一个年龄计数器，如果对象经过了1次Minor GC那么对象会进入Survivor区，之后每经过一次Minor GC那么对象的年龄加1，知道达到阀值对象进入老年区。
• 动态判断对象的年龄。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。
• 空间分配担保。每次进行Minor GC时，JVM会计算Survivor区移至老年区的对象的平均大小，如果这个值大于老年区的剩余值大小则进行一次Full GC，如果小于检查HandlePromotionFailure设置，如果true则只进行Monitor GC,如果false则进行Full GC。

数组的内部表示
　　在Java中，数组是真正的对象。和其他对象一样，数组总是存储在堆中。同样，数组也拥有一个与它们的类相关联的Class实例，所有具有相同维度和类型的数组都是同一个类的实例，而不管数组的长度（多维数组每一维的长度）是多少。例如一个包含3个int整数的数组和一个包含300个整数的数组拥有同一个类。数组的长度只与实例数据有关。
　　数组类的名称由两部分组成：每一维用一个方括号“[”表示，用字符或字符串表示元素类型。比如，元素类型为int整数的、一维数组的类名为“[I”，元素类型为byte的三维数组为“[[[B”，元素类型为Object的二维数组为“[[Ljava/lang/Object”。
　　多维数组被表示为数组的数组。比如，int类型的二维数组，将表示为一个一维数组，其中的每一个元素是一个一维int数组的引用，如下图：

在堆中的每个数组对象还必须保存的数据时数组的长度、数组数据，以及某些指向数组的类数据的引用。虚拟机必须能够通过一个数组对象的引用得到此数组的长度，通过索引访问其元素（期间要检查数组边界是否越界），调用所有数组的直接超类Object声明的方法等等。

四、JVM对堆的管理/设置

默认分配比例：

Eden : from : to = 8 : 1 : 1 ( 可以通过参数 –XX:SurvivorRatio 来设定 )，即： Eden = 8/10 的新生代空间大小，from = to = 1/10 的新生代空间大小。
新生代 ( Young ) 与老年代 ( Old ) 的比例的值为 1:2 ( 该值可以通过参数–XX:NewRatio来指定 )

Total Heap：

-Xms ：指定了JVM初始启动以后初始化内存
-Xmx：指定JVM堆得最大内存，在JVM启动以后，会分配-Xmx参数指定大小的内存给JVM，但是不一定全部使用，JVM会根据-Xms参数来调节真正用于JVM的内存

New Generation(新生代)：

1)-XX:NewSize和-XX:MaxNewSize（jdk1.3or1.4）

用于设置年轻代的大小，建议设为整个堆大小的1/3或者1/4,两个值设为一样大。

例如：-XX:NewRatio=8意味着tenured和young的比值8：1，这样eden+2*survivor=1/9

2)-Xmn（jdk1.4or lator）

用于设置年轻代大小。例如：-Xmn10m，设置新生代大小为10m。此处的大小是（eden+ 2 survivor space).与jmap -heap中显示的New gen是（eden+1 survivor space）不同的。

Perm Generation：

-XX:PermSize=16M -XX:MaxPermSize=64M

栈：

Thread Stack
-XX:Xss=128K

五、堆的垃圾回收

Java 中的堆也是 GC 收集垃圾的主要区域。GC 分为两种：Minor GC、Full GC ( 或称为 Major GC )。
Minor GC 是发生在新生代中的垃圾收集动作，所采用的是复制算法。
新生代几乎是所有 Java 对象出生的地方，即 Java 对象申请的内存以及存放都是在这个地方。Java 中的大部分对象通常不需长久存活，具有朝生夕灭的性质。
当一个对象被判定为 “死亡” 的时候，GC 就有责任来回收掉这部分对象的内存空间。新生代是 GC 收集垃圾的频繁区域。
当对象在 Eden ( 包括一个 Survivor 区域，这里假设是 from 区域 ) 出生后，在经过一次 Minor GC 后，如果对象还存活，并且能够被另外一块 Survivor 区域所容纳
( 上面已经假设为 from 区域，这里应为 to 区域，即 to 区域有足够的内存空间来存储 Eden 和 from 区域中存活的对象 )，则使用复制算法将这些仍然还存活的对象复制到另外一块 Survivor 区域 ( 即 to 区域 ) 中，然后清理所使用过的 Eden 以及 Survivor 区域 ( 即 from 区域 )，并且将这些对象的年龄设置为1，以后对象在 Survivor 区每熬过一次 Minor GC，就将对象的年龄 + 1，当对象的年龄达到某个值时 ( 默认是 15 岁，可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设定 )，这些对象就会成为老年代。
但这也不是一定的，对于一些较大的对象 ( 即需要分配一块较大的连续内存空间 ) 则是直接进入到老年代。
Full GC 是发生在老年代的垃圾收集动作，所采用的是标记-清除算法。
现实的生活中，老年代的人通常会比新生代的人 “早死”。堆内存中的老年代(Old)不同于这个，老年代里面的对象几乎个个都是在 Survivor 区域中熬过来的，它们是不会那么容易就 “死掉” 了的。因此，Full GC 发生的次数不会有 Minor GC 那么频繁，并且做一次 Full GC 要比进行一次 Minor GC 的时间更长。
另外，标记-清除算法收集垃圾的时候会产生许多的内存碎片 ( 即不连续的内存空间 )，此后需要为较大的对象分配内存空间时，若无法找到足够的连续的内存空间，就会提前触发一次 GC 的收集动作。