JVM内存结构笔记(中)-EW帮帮网

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堆

1.定义

堆是Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块，Java 堆是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以及数组都在这里分配内存。

Java 世界中“几乎”所有的对象都在堆中分配，但是，随着 JIT 编译器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。
从 JDK 1.7 开始已经默认开启逃逸分析，如果某些方法中的对象引用没有被返回或者未被外面使用（也就是未逃逸出去），那么对象可以直接在栈上分配内存。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称作 GC 堆（Garbage Collected Heap）。从垃圾回收的角度，由于现在收集器基本都采用分代垃圾收集算法，所以 Java 堆还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点有：Eden、Survivor、Old 等空间。进一步划分的目的是更好地回收内存，或者更快地分配内存。

2.堆的结构

堆内存被通常分为下面三部分：
1.新生代(Young Generation)

作用：存放新创建的对象。
特点：
- 大多数对象在年轻代创建，并且很快变得不可达（生命周期短）。
- 年轻代的垃圾回收称为 Minor GC，回收频率较高。
分区：
- Eden 区：新创建的对象首先分配在 Eden 区。
- Survivor 区：分为两个区域（From 和 To），用于存放经过 Minor GC 后仍然存活的对象。

2.老生代(Old Generation)

作用：存放生命周期较长的对象。
特点：
- 对象在年轻代经过多次 Minor GC 后仍然存活，会被晋升到老年代。
- 老年代的垃圾回收称为 Major GC 或 Full GC，回收频率较低，但耗时较长。
触发条件：
- 对象年龄达到一定阈值（通过 -XX:MaxTenuringThreshold 设置）。
- Survivor 区空间不足。

3.永久代(Permanent Generation)元空间（MetaSpace）

作用：存放类的元数据（如类信息、方法信息、常量池等）。
特点：
- 在 JDK 8 之前，这部分称为永久代（PermGen），位于堆中。
- JDK 8 及以后：被元空间（MetaSpace）取代，元空间使用本地内存而非堆内存。
相关参数：
- -XX:MetaspaceSize：初始元空间大小。
- -XX:MaxMetaspaceSize：最大元空间大小。

下图所示的 Eden 区、两个 Survivor 区 S0 和 S1 都属于新生代，中间一层属于老年代，最下面一层属于永久代。
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大部分情况，对象都会首先在 Eden 区域分配。
在一次新生代垃圾回收后，如果对象还存活，则会进入 S0 或者 S1，并且对象的年龄还会加 1(Eden 区->Survivor 区后对象的初始年龄变为 1)。
当它的年龄增加到一定程度（默认为 15 岁），就会被晋升到老年代中。
对象晋升到老年代的年龄阈值，可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。
不过，设置的值应该在 0-15，否则会爆出以下错误：

MaxTenuringThreshold of 20 is invalid; must be between 0 and 15

为什么JVM新生代对象年龄只能是 0-15?

在 HotSpot 虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为 3 块区域：

对象头（Header）
实例数据（Instance Data）
对齐填充（Padding）

其中，对象头包括两部分：标记字段（Mark Word）和类型指针（Klass Word）。关于对象内存布局的详细介绍，后文会介绍到，这里就不重复提了。
这个年龄信息就是在标记字段中存放的（标记字段还存放了对象自身的其他信息比如哈希码、锁状态信息等等）。
而JVM内部使用4位(bit)来表示对象的年龄，因此可以表示的最大数值为2^4−1=15。这就是为什么对象年龄的上限被固定为15的原因。

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3.堆内存溢出

堆最容易出现的就是 OutOfMemoryError 错误，并且出现这种错误之后的表现形式还会有几种，比如：
1.java.lang.OutOfMemoryError: GC Overhead Limit Exceeded：当 JVM 花太多时间执行垃圾回收并且只能回收很少的堆空间时，就会发生此错误。
2.java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space :假如在创建新的对象时, 堆内存中的空间不足以存放新创建的对象, 就会引发此错误。(和配置的最大堆内存有关，且受制于物理内存大小。最大堆内存可通过-Xmx参数配置，若没有特别配置，将会使用默认值，详见：Default Java 8 max heap size

当没有使用对象时进行回收对象，当生成大量的对象同时使用时则不能回收，当对象过多时就会导致堆内存耗尽溢出。

public static void main(String[] args) {
    int i = 0;
    try {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        String a = "hello";
        while (true) {
            list.add(a);
            a = a + a;
            i++;
        }
    } catch (Throwable e) {
        e.printStackTrace();
        System.out.println("循环了："+i+"次");
    }
}

报错：

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3332)
    at java.lang.AbstractStringBuilder.expandCapacity(AbstractStringBuilder.java:137)
    at java.lang.AbstractStringBuilder.ensureCapacityInternal(AbstractStringBuilder.java:121)
    at java.lang.AbstractStringBuilder.append(AbstractStringBuilder.java:421)
    at java.lang.StringBuilder.append(StringBuilder.java:136)
    at cn.itcast.jvm.t1.heap.Demo1_5.main(Demo1_5.java:19)
循环了：24次

修改堆内存大小：-Xmx8m
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报错

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3332)
    at java.lang.AbstractStringBuilder.expandCapacity(AbstractStringBuilder.java:137)
    at java.lang.AbstractStringBuilder.ensureCapacityInternal(AbstractStringBuilder.java:121)
    at java.lang.AbstractStringBuilder.append(AbstractStringBuilder.java:421)
    at java.lang.StringBuilder.append(StringBuilder.java:136)
    at cn.itcast.jvm.t1.heap.Demo1_5.main(Demo1_5.java:19)
循环了：17次

4.堆内存诊断

jps 工具 + jmap 工具
jsp：查看当前系统中有哪些 java 进程
jmap：查看堆内存占用情况 jmap -heap 进程id
jconsole 工具
图形界面的，多功能的监测工具，可以连续监测

代码示例

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    System.out.println("1...");
    Thread.sleep(30000);
    byte[] array = new byte[1024 * 1024 * 10]; // 10 Mb
    System.out.println("2...");
    Thread.sleep(20000);
    array = null;
    System.gc();
    System.out.println("3...");
    Thread.sleep(1000000L);
}