Java 内存模型之堆内存管理

Java 内存模型之堆内存（Heap） 


一、背景知识：内存类型介绍 

 


1、什么是 Perm Gen？ 

Perm Gen : Permanent Generation 

Perm Gen 区是一个特殊的JVM内存区，因为它用来存储用来描述 Class 的 
元数据（Class 可以不属于Java语言的一部分，也可以属于），诸如：描述类及其方法。 

在大的应用中该区一会儿就满了，并抛出错误：java.lang.OutOfMemoryError: PermGen 
然而无论你怎么设置 -Xmx 也不管用。 
因为设置其大小的参数不是 -Xmx，而是 -XX:PermGen, -XX:MaxPermGen （不同Java版本略有变化） 


2、Heap VS. Stack VS. Perm 

Heap（堆内存）： 
使用Java语言创建的所有的引用对象类型，都在此存储。并由 GC (Garbage Collection)对其进行管理， 
诸如：释放不再被程序引用的对象所占据的内存。 

Stack（栈内存）： 
与 Heap 相对的是，Stack 存放基础数据类型。诸如：int, char 等。 
由程序的执行顺序控制变量的进出栈顺序，而不是由 GC 控制栈内存的管理。 

Perm（持久内存）: 
用于存储类的元数据。诸如：类的定义，方法的定义等。 

Perm 的生命周期与 JVM 绑定，而 Heap 的生命周期与程序绑定。 



二、堆内存（Heap） 与 Garbage Collection 

理解 GC （Garbage Collection），需要理解 Heap 。 

JVM 的 Heap 堆内存在物理上被划分为两部分：Young Gen, Old Gen 


1、 JVM 内存管理之：Young Gen 

所有新创建的 Object 首先被放在 Young Generation 内存区。 
如果 Young Generation 内存区满了，则执行 Garbage Collection 。这种 GC 称为 Minor GC。 
Young Generation 区又分为三部分： Eden Memory，Survivor0 Memory (S0)，Survivor1 Memory(S1). 


Young Generation 内存区要点： 

1、绝大多数新建的 Object 被放在 Eden Memory 

2、如果 Eden Memory 内存满了，则进行 GC 操作。 
   同时把未被 GC 的 Object 移动到 S0 或 S1 中。 
   此时 Minor GC 也会检查和移动 S0 和 S1 中的对象。 
   最后使 S0，S1 其中一个置为空。 

3、多次 GC 后仍然未被 GC 的 Object 将被移动到 Old Gen 内存区中。 
   通常 Object 会被 GC 设定一个轮询的阀值。 


2、 JVM 内存管理之：Old Gen 

Old Gen 内存区存放了经过多次 Minor GC 后仍然不能被 GC 的 Object。 
与 Young Gen 相同，当 Old Gen 区满了之后将执行 GC 操作，该操作称为：Major GC。 
耗用的时间也相对较长。 

stop-the-world 事件 
Young Gen 和 Old Gen 都可以主动触发 stop-the-world 事件，挂起所有任务，执行 GC 操作。 
被挂起的任务只有在 GC 执行完毕后，才会恢复执行。 
多数情况下， GC 性能调优（GC tuning）就是指降低 stop-the-world 时 GC 执行的时间。 


三、Perm Gen 

JVM 在 Permanent Generation 或 Perm Gen 内存区中存放应用程序的元数据 
（application metadata），用来描述类及其方法的原始信息。 
注意：Perm Gen 不是 Heap 的一部分。 

Perm Gen 被 JVM 使用于应用程序运行期间（runtime），基于应用所使用到的类。 
Perm Gen 中同时包括 Java SE 包中的类。 
Perm Gen 只有在执行 Full GC 时才会被 GC。 


四、内存管理调优参数 

-Xms 
设置JVM启动时的堆内存（Heap）的大小 

-Xmx For setting the maximum heap size. 
设置堆内存（Heap）的最大值 

-Xmn 
设置 Young Gen 内存区的大小 

-XX:PermGen 
设置 Perm Gen 内存的初始大小 

-XX:MaxPermGen 
设置 Perm Gen 内存的最大值 

-XX:SurvivorRatio 
设置 Eden Gen 与 S0 Gen，S1 Gen 内存的大小比。默认值：8 
例如： 
Young Gen 大小为 10M， 
-XX:SurvivorRatio=2 
则： 
Eden Gen 的大小为 5， 
S0 和 S1 的大小分别为 2.5 
    
-XX:NewRatio 
设置 Old Gen / Young Gen 的值。默认：2 


大部分情况下，默认值不用调。详细请参考官方文档。 


五、Java内存管理之 Garbage Collection 


垃圾回收 GC (Garbage Collection) 是 Java 鉴别、移出内存中不再使用的对象， 
并释放其所占内存的过程。 

Java 语言的一项非常好的特点就是：自动垃圾回收（Automatic GC）。 
不像其它语言（例如 C 语言），需要手动释放内存。 

Java 的垃圾收集器是一个在后台运行的程序，它检查所有在内存中运行的对象， 
并找出那些不再在程序中的任何地方引用到的对象。 
这些对象将被声明为程序运行垃圾，以释放其所占的内存，为其它对象继续使用。 

GC 的运行步骤： 

      1、Marking（标记）： 
          这是GC工作的第一步。鉴定出不再使用的对象，并对其进行标记。 

      2、Normal Deletion（一般化删除）： 
          移除不使用的对象，并释放其所占空间。 

      3、Deletion with Compacting（压缩删除）： 
          在删除所有不再使用的对象后，所有未被删除的对象将被移动到一起。 
          这样可以提高对 new Objects 分配内存时的性能。 


这种简单的 Mark 然后 delete 的方式有两点不足： 

      1、不高效。新对象刚创建完，还没有被引用时就被删除了。 

      2、重复。那些即使一直被程序引用的对象，也要在每次的GC轮询中被检查。

Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，所有对象和数组都在堆上进行内存分配。为了进行高效的垃圾回收，虚拟机把堆内存划分成新生代、老年代和永久代（1.8中无永久代，使用metaspace实现）三块区域。 

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。

堆内存初始化

Java中分配堆内存是自动初始化的，其入口位于Universe::initialize_heap方法中，相关代码如下： 

其中UseParallelGC、UseG1GC、UseConcMarkSweepGC都可以通过启动参数进行设置，整个初始化过程分成三步： 
1、初始化GC策略； 
2、初始化分代生成器； 
3、初始化Java堆管理器；

GC策略初始化

HotSpot的GC策略实现如下： 

其中MarkSweepPolicy是基于标记-清除思想的GC策略，如果虚拟机启动参数没有指定GC算法，则使用默认使用UseSerialGC，以ASConcurrentMarkSweepPolicy策略为例，对GC策略的初始化过程进行分析： 

调用父类ConcurrentMarkSweepPolicy构造方法，其中initialize_all定义在GenCollectorPolicy中，相关代码如下： 

initialize_flags

负责对新生代、老年代以及永久代设置的内存大小进行调整。

调整永久代

由CollectorPolicy::initialize_flags实现，永久代的初始值默认为4M，最大值为64M，可以通过参数-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize进行重新设置。代码如下：

调整新生代

由GenCollectorPolicy::initialize_flags实现： 
1、新生代的初始值NewSize默认为1M，最大值需要设置，可以通过参数-XX:NewSize和-XX:MaxNewSize或-Xmn进行设置； 
2、NewRatio为老年代与新生代的大小比值，默认为2； 
3、SurvivorRatio为新生代中Eden和Survivor的大小比值，默认为8；

调整老年代

由TwoGenerationCollectorPolicy::initialize_flags实现 
1、老年代的初始值OldSize默认为4M，可以通过参数-XX:OldSize进行设置； 
2、最大堆大小MaxHeapSize默认为96M，可以通过参数-Xmx进行设置； 
3、如果设置的新生代和老年代的内存容量大于MaxHeapSize，则重新设置MaxHeapSize；

initialize_size_info

设置新生代、老年代以及永久代的容量，包括初始值、最小值和最大值

设置堆容量

其中InitialHeapSize和Arguments::min_heap_size()可以通过参数-Xms进行设置。 
1、设置初始堆容量_initial_heap_byte_size； 
2、设置最小堆容量_min_heap_byte_size； 
3、设置最大堆容量_max_heap_byte_size；

相关代码如下： 

设置新生代

1、如果MaxNewSize重新设置过，即设置-Xmn参数，则根据不同情况设置max_new_size； 
2、否则通过scale_by_NewRatio_aligned方法根据NewRatio和_max_heap_byte_size重新计算max_new_size值，其中NewRatio默认为2，表示新生代的大小占整个堆的1/3；

3、如果最大堆_max_heap_byte_size等于最小堆_min_heap_byte_size，则设置新生代的初始值、最小值和最大值为max_new_size，否则执行下一步。

4、如果NewSize重新设置过，即设置了-Xmn参数，则使用NewSize设置_min_gen0_size，否则使用scale_by_NewRatio_aligned方法重新计算新生代最小值和初始值，实现如下：

设置老年代

1、如果参数没有设置OldSize，则使用min_heap_byte_size() - min_gen0_size()，即最小堆大小和新生代最小值之差设置老年代最小值，初始值类似； 
2、否则根据设置的OldSize，通过adjust_gen0_sizes方法重新设置新生代的最小值和初始值；

初始化分代生成器

分代生成器保存了各个内存代的初始值和最大值，新生代和老年代通过GenerationSpec实现，永久代通过PermanentGenerationSpec实现。

GenerationSpec

每个生成器GenerationSpec实例保存当前分代的GC算法、内存的初始值和最大值。

PermanentGenerationSpec

除了GenerationSpec实例中的数据，如果设置UseSharedSpaces和DumpSharedSpaces，还需要保存额外的数据。ConcurrentMarkSweepPolicy::initialize_generations方法实现了分代生成器的初始化，实现如下： 

初始化Java堆管理器

GenCollectedHeap是整个Java堆的管理器，负责Java对象的内存分配和垃圾对象的回收，通过initialize方法进行初始化，相关代码如下：

1、通过GC策略的number_of_generations方法获取分代数量，如果使用ASConcurrentMarkSweepPolicy，默认分代数为2； 
2、通过align方法对齐生成器的初始值和最大值；

3、通过allocate为堆申请空间； 

4、通过分代生成器的init方法为对应的分代分配内存空间； 

5、如果当前的GC策略为ConcurrentMarkSweepPolicy，则通过create_cms_collector创建GC线程。

到此，JVM堆内存的完整分配流程就分析完了。