JVM运行时数据区之Java堆

堆的概述：

1. 一个JVM实例只存在一个堆内存，堆是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。是JVM管理的最大一块内存空间。
3. 堆的大小是可以调节的。
4. 《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。
5. 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, TLAB)。
6. 《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。实际上应该是“几乎”所有的对象实例都在堆上分配内存。
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。
9. 堆是GC(Garbage Collection，垃圾收集器)执行垃圾回收的重点区域。
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细分堆的内存：

Java 7及之前堆内存逻辑上分为三部分：新生代+老年代+永久代。Java 8及之后堆内存逻辑上分为三部分：新生代+老年代+元空间。其中，新生代又被细分为Eden区和Survivor0区和Survivor1区。
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设置堆内存的大小：

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，我们可以通过选项 -Xmx 和 -Xms 来进行设置。

-Xms用于表示堆区的起始内存，等价于 -XX : InitialHeapSize
-Xmx用于表示堆区的最大内存，等价于 -XX : MaxHeapSize

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。
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。默认情况下，堆空间的初始内存大小 = 物理电脑内存大小 / 64；最大内存大小 = 物理电脑内存大小 / 4。
此外，我们一般将新生代中的内存空间按照Eden区：Survivor0区：Survivor1区 = 8：1：1的比例分配。
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对象分配过程：

存储在JVM中的对象可以被分为两类：

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。

细分堆区：

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form区、to区)。

几乎所有的Java对象都是在Eden区被new出来的。
绝大部分Java对象的销毁都在新生代进行。

对象分配过程：

1. new的对象先放伊甸园(Eden)区，此区有大小限制。
2. 当伊甸园区的空间填满时，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收(Minor GC/YGC)，将伊甸园区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁，再加载新的对象放到伊甸园区。
3. 然后将伊甸园区中的剩余对象移动到幸存者0(Survivor0)区。
4. 如果再次触发垃圾回收，此时上次幸存下来的放到幸存者0区的，如果没有被回收，就会被放到幸存者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。(往空的Survivor区放)
6. 什么时候能进入老年区呢？我们可以设置次数，默认是15次。
   
   
   

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区。
关于垃圾回收：频繁在新生代收集，很少在老年代收集，几乎不在永久代/元空间收集。

堆中的垃圾回收：

Minor GC、Major GC、Full GC：

JVM在进行GC时，并非每次都对上面三个内存区域一起回收，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：部分收集(Partial GC)和整堆收集(Full GC)：

1. 部分收集：不是完整收集整个Java堆的垃圾收集，其中又分为：
        ~~~~      1.1 新生代收集(Minor GC/ Young GC)：只是新生代(Eden、s0、s1)的垃圾收集.
        ~~~~      1.2 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）。需要注意的是，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。
        ~~~~      1.3 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。
2. 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：

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区满，Survivor区满不会引发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(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。

老年代GC(Major GC/ Full GC)触发机制：

老年代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：

触发Full GC执行的情况有以下五种：
     ~~~~      1. 调用System.gc()时，系统建议执行Full 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区(From Space)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，这样暂停时间会短一些。

堆空间分代思想：

其实不分代完全可以，分代的唯一理由就是优化GC性能。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。而很多对象都是朝生夕灭的，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“朝生夕灭”对象的区域进行回收，这样就会腾出很大的空间来。

内存分配策略(对象提升(Promotion)规则)：

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老年代
     ~~~~      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

堆空间为每个线程分配TLAB：

1. 为什么有TLAB(Thread Local Allocation Buffer)：
        ~~~~      1) 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
        ~~~~      2) 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
        ~~~~      3) 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
2. 什么是TLAB：
        ~~~~      1) 从内存模型而不是垃圾收集的角度，对Eden区继续进行划分，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。
        ~~~~      3) 所有OpenJDK衍生出来的JVM都提供了TLAB的设计。
3. TLAB的再说明：
        ~~~~      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) 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
        ~~~~      3) 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
        ~~~~      4) 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
   

堆是分配对象存储的唯一选择吗：

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。
有一种特殊情况，那就是如果经过逃逸分析后发现，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，也无需进行垃圾回收了。这也是最常见的堆外存储技术。
使用逃逸分析，编译器可以对代码进行如下优化：
     ~~~~      1) 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。
     ~~~~      2) 同步策略。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。该过程也叫锁消除。
     ~~~~      3) 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。