1. 堆的核心概述

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，是JVM管理的最大一块内存空间
? 堆内存的大小是可以调节的

代码测试 HeapDemo1

/**
 * -Xms10m -Xmx10m
 */
public class HeapDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("start...");
        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("end...");
    }
}

代码测试 HeapDemo2

/**
 * -Xms20m -Xmx20m
 */
public class HeapDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("start...");
        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("end...");
    }
}

两段代码完全相同，只有运行时设置的堆空间不同。将两段程序同时执行后，打开jvisualvm(mac下直接终端执行jvisualvm命令即可)。双击HeapDemo1进程查看visual GC(首次运行jvisualvm时，可以选择 工具 -> 插件，安装相关的visual GC插件)

可以看到图中针对HeapDemo1进程，标记的Eden，Survivor0，Survivor1和Old Gen区大小之和为10m

而对HeadDemo2进程，各部分大小之和为20m：

《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, TLAB)
《Java虚拟机规范》中对Java对的描述是：所有的对象实例以及数组都应当在运行时分配在堆上。(The heap is the run-time data area from which memory for all class instances and arrays is allocated)
? 这里应该强调一点：应该是”几乎“所有的对象实例都在这里分配内存——从实际使用角度看
数组和对象可能永远不会存储在栈上（”栈上分配“除外），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
堆，是GC执行垃圾回收的重点区域

代码演示

package com.nasuf.jvm;

public class SimpleHeap {
    private int id;

    public SimpleHeap(int id) {
        this.id = id;
    }

    public void show() {
        System.out.println("My ID is " + id);
    }

    public static void main(String[] args) {
        SimpleHeap s1 = new SimpleHeap(1);
        SimpleHeap s2 = new SimpleHeap(2);
        int[] arr = new int[10];
        Object[] arr1 = new Object[10];
    }
}

1.1 内存细分

现代垃圾收集器大部分都基于分代收集理论设计，堆空间细分为：

Java7及之前，堆内存逻辑上分为三部分：新生区 (Young Generation Space) + 养老区 (Tenure Generation Space) + 永久区 (Permanent Space)
Java8及之后，堆内存逻辑上分为三部分：新生区 (Young Generation Space) + 养老区(Tenure Generation Space) +元空间 (Meta Space)
约定：新生区 = 新生代 = 年轻代，养老区 = 老年区 = 老年代，永久区 = 永久代

如果上述代码执行时加上参数-XX:+PrintGCDetails，可以看到如下信息输出：

Heap
 PSYoungGen      total 6144K, used 942K [0x00000007bf980000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000)
  eden space 5632K, 16% used [0x00000007bf980000,0x00000007bfa6bad0,0x00000007bff00000)
  from space 512K, 0% used [0x00000007bff80000,0x00000007bff80000,0x00000007c0000000)
  to   space 512K, 0% used [0x00000007bff00000,0x00000007bff00000,0x00000007bff80000)
 ParOldGen       total 13824K, used 0K [0x00000007bec00000, 0x00000007bf980000, 0x00000007bf980000)
  object space 13824K, 0% used [0x00000007bec00000,0x00000007bec00000,0x00000007bf980000)
 Metaspace       used 2657K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 287K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K

如果切换成JDK7，则会有如下信息输出：

Heap
 PSYoungGen      total 6656K, used 869K [0x00000007ff900000, 0x0000000800000000, 0x0000000800000000)
  eden space 6144K, 14% used [0x00000007ff900000,0x00000007ff9d9418,0x00000007fff00000)
  from space 512K, 0% used [0x00000007fff80000,0x00000007fff80000,0x0000000800000000)
  to   space 512K, 0% used [0x00000007fff00000,0x00000007fff00000,0x00000007fff80000)
 ParOldGen       total 13824K, used 0K [0x00000007feb80000, 0x00000007ff900000, 0x00000007ff900000)
  object space 13824K, 0% used [0x00000007feb80000,0x00000007feb80000,0x00000007ff900000)
 PSPermGen       total 21504K, used 2656K [0x00000007f9980000, 0x00000007fae80000, 0x00000007feb80000)
  object space 21504K, 12% used [0x00000007f9980000,0x00000007f9c182c0,0x00000007fae80000)

2. 设置堆内存大小与OOM

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，可以通过选项-Xmx和-Xms来进行设置
-Xms用于表示堆区（即年轻代+老年代）的起始内存，等价于-XX:InitialHeapSize ，其中-X是jvm的运行参数，ms表示 memory start
-Xmx用于表示堆区（即年轻代+老年代）的最大内存，等价于-XX:MaxHeapSize，其中mx表示 memory max
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，初始内存大小为物理电脑内存大小/64，最大内存大小为物理电脑内存大小/4

代码演示（输出初始内存设定）：

package com.nasuf.jvm;

public class HeapSpaceInitial {
    public static void main(String[] args) {
        // 返回Java虚拟机中的堆内存总量
        long initialMemory = Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024 / 1024;
        // 返回Java虚拟机试图使用的最大堆内存量
        long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory() / 1024 / 1024;

        System.out.println("-Xms: " + initialMemory + "M");
        System.out.println("-Xmx: " + maxMemory + "M");

        System.out.println("系统内存大小为：" + initialMemory * 64.0 / 1024 + "G");
        System.out.println("系统内存大小为：" + maxMemory * 4.0 / 1024 + "G");
    }
}

输出如下：

-Xms: 245M
-Xmx: 3641M
系统内存大小为：15.3125G
系统内存大小为：14.22265625G

package com.nasuf.jvm;

public class HeapSpaceInitial {
    public static void main(String[] args) {
        // 返回Java虚拟机中的堆内存总量
        long initialMemory = Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024 / 1024;
        // 返回Java虚拟机试图使用的最大堆内存量
        long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory() / 1024 / 1024;

        System.out.println("-Xms: " + initialMemory + "M");
        System.out.println("-Xmx: " + maxMemory + "M");

        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }
}

手动设置参数：-Xms600m -Xmx600m后输出initialMemory和maxMemory：

-Xms: 575M
-Xmx: 575M

此时查看：

$ jps
19459 Launcher
19507 Jps
19460 HeapSpaceInitial
72644
27743

# nasuf @ promote in /Library/Java/JavaVirtualMachines [16:01:45]
$ jstat -gc 19460
 S0C    S1C    S0U    S1U      EC       EU        OC         OU       MC     MU    CCSC   CCSU   YGC     YGCT    FGC    FGCT     GCT
25600.0 25600.0  0.0    0.0   153600.0 12288.5   409600.0     0.0     4480.0 774.3  384.0   75.9       0    0.000   0      0.000    0.000

其中:

S0C: S0 Capacity
S1C: S1 Capacity
S0U: S0 Used
S1U: S1 Used
EC: Eden Capacity
EU: Eden Used
OC: Old Capacity
OU: Old Used

计算(S0C + S1C + EC + OC) / 1024 = 600m即我们的初始设定值，而输出值为575m，是因为S0区和S1区只有一个在使用，所以我们可以计算(S0C + EC + OC) / 1024 = 575m，因此由575m计算得出的系统内存大小也会小于实际的系统内存大小。

另外，使用-XX:+PrintGCDetails参数运行也可以查看到内存情况：

Heap
 PSYoungGen      total 179200K, used 9216K [0x00000007b3800000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000)
  eden space 153600K, 6% used [0x00000007b3800000,0x00000007b41001a0,0x00000007bce00000)
  from space 25600K, 0% used [0x00000007be700000,0x00000007be700000,0x00000007c0000000)
  to   space 25600K, 0% used [0x00000007bce00000,0x00000007bce00000,0x00000007be700000)
 ParOldGen       total 409600K, used 0K [0x000000079a800000, 0x00000007b3800000, 0x00000007b3800000)
  object space 409600K, 0% used [0x000000079a800000,0x000000079a800000,0x00000007b3800000)
 Metaspace       used 2658K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 287K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K

注意：其中的PSYoungGen为179200K，计算方式同样是eden space + from space或者eden space + to space

OutOfMemoryError测试

package com.nasuf.jvm;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Random;

public class OOMTest {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<Picture> list = new ArrayList<>();
        while(true) {
            try {
                Thread.sleep(20);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            list.add(new Picture(new Random().nextInt(1024 * 1024)));
        }
    }
}

class Picture {
    private byte[] pixels;
    public Picture(int length) {
        this.pixels = new byte[length];
    }
}

运行参数：-Xms600m -Xmx600m. 执行后使用jvisualvm中的Visual GC插件查看内存情况：

可以看到Old区不断被填充，直到填满为止无法进一步GC，导致下列OOM日志输出：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at com.nasuf.jvm.Picture.<init>(OOMTest.java:23)
    at com.nasuf.jvm.OOMTest.main(OOMTest.java:15)

从抽样器中能够进一步查看到内存中的对象情况：

3. 年轻代与老年代

存储在JVM中的Java对象可以被划分为两类：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；另一类对象的生命周期却非常长，在某些极端情况下还能够与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(OleGen)
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）

注意：下面的参数，在开发中一般不会调用：?

配置新生代与老年代在堆结构的占比默认-XX:NewRatio=2，表示新生代占1，老年代占2，新生代占整个堆空间的1/3可以修改-XX:NewRatio=4，表示新生代占1，老年代占4，新生代占整个堆的1/5
在HotSpot中，Eden空间和另外两个Survivor空间缺省所占的比例是8:1:1
当然开发人员可以通过选项-XX:SurvivorRatio来调整这个空间比例。比如-XX:SurvivorRatio=8
几乎所有（并不一定）的Java对象都是在Eden区域被new出来的（如果一个对象过大，可能直接进入老年代）
绝大部分的Java对象的销毁都在新生代进行。IBM公司的专门研究表明：新生代中80%的对象都是朝生夕死的
可以使用选项-Xmn设置新生代最大内存大小。这个参数一般使用默认值就可以了；如果同时设置了-XX:NewRatio，那么会以-Xmn为准

代码演示

package com.nasuf.jvm;

/**
 * -Xms600m -Xmx600m
 */
public class EdenSurvivorTest {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("testing...");
        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

执行上述代码，参数为-Xms600m -Xmx600m；通过jvisualvm中的Visual GC插件可以看到如下信息：

默认情况下新生代和老年代的占比为1:2

或者可以通过jinfo -flag命令查看NewRatio信息：

$ jps
13490 Launcher
13491 EdenSurvivorTest
12420
13765 Jps
13213 Main

$ jinfo -flag NewRatio 13491
-XX:NewRatio=2

从上图中同样可以观察到Eden:Survivor0:Survivor1的比例为6:1:1而非8:1:1，这是因为JVM的内存分配自适应机制。但是如果我们在程序参数中加入-XX:-UseAdaptiveSizePolicy，即取消掉UseAdaptiveSizePolicy机制并执行代码，可以发现并不会生效。有效的做法是指定-XX:SurvivorRatio=8来设置新生代中Eden与Survivor区的比例：

4. 图解对象分配过程

4.1 对象分配过程概述

为新对象分配内存是一件非常严谨和复杂的任务。JVM的设计者们不仅需要考虑内存如何分配、在哪里分配等问题，并且由于内存分配算法与内存回收算法密切相关，所以还需要考虑GC执行完内存回收后是否会在内存空间中产生内存碎片

new的对象先放Eden区，此区有大小限制
当Eden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Eden区进行垃圾回收（Young GC / Minor GC），将Eden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Eden区。注意：Survivor区满时不会触发Young GC，但是这不意味着Survivor区不存在垃圾回收——当Young GC发生时，Eden区和Survivor区同时进行垃圾回收
然后将Eden区中剩余对象移动到Survivor0区
如果再次出发垃圾回收，此时上次幸存下来的放到Survivor0区，如果没有回收，就会放到Survivor1区
如果再次经历垃圾回收，此时会重新放回Survivor0区，接着再去Survivor1区
什么时候去老年代呢？可以设置次数-XX:MaxTenuringThreshold=<N>，默认是15次
在老年代，相对悠闲，当老年代内存不足时，再次触发GC: Major GC，进行老年代的内存清理
若老年代执行了Major GC之后发现依然无法进行对象的保存，就会产生OOM异常

4.2 图解过程

总结

针对Survivor0,Survivor1区：复制之后有交换，谁空谁是To
关于垃圾回收：频发在新生代收集，很少在老年代收集，几乎不在永久代/元空间收集

代码测试

package com.nasuf.jvm;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Random;

/**
 * -Xms600m -Xmx600m
 */
public class HeapInstanceTest {
    byte[] buffer = new byte[new Random().nextInt(1024 * 200)];

    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<HeapInstanceTest> list = new ArrayList<>();
        while (true) {
            list.add(new HeapInstanceTest());
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

当程序抛出OOM异常时：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at com.nasuf.jvm.HeapInstanceTest.<init>(HeapInstanceTest.java:10)
    at com.nasuf.jvm.HeapInstanceTest.main(HeapInstanceTest.java:15)

通过jvisualvm查看每次GC内存波形图图示如下：

5. Minor GC、Major GC与Full GC

JVM在进行GC时，并非每次都对上面三个内存区域（新生代、老年代、方法区或元空间）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 (Full GC)

部分收集

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)：只是老年代的垃圾收集。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收集还是整堆回收

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

5.1 年轻代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，而Survivor区满不会触发GC（每次Minor GC会清理年轻代的内存）
因为Java对象大多数都具备朝生夕死的特性，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STM (Stop The World)，暂停其他用户的线程，等垃圾回收结束，用户线程才恢复运行

5.2 老年代Major GC / Full GC触发机制

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，就抛出OOM

5.3 Full GC触发机制

触发Full GC执行的情况有如下五种：

调用System.gc()时，系统建议执行Full GC，但是不必然执行
老年代空间不足
方法区空间不足
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
由Eden区，Survivor0（From），区向Survivor1（To）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

5.4 GC日志分析

代码测试

package com.nasuf.jvm;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * 测试 Minor GC / Major GC / Full GC
 * -Xms9m -Xmx9m -XX:+PrintGCDetails
 */
public class GCTest {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        try {
            List<String> list = new ArrayList<>();
            String a = "nasuf";
            while (true) {
                list.add(a);
                a = a + a;
                i++;
            }
        } catch (Throwable t) {
            t.printStackTrace();
            System.out.println("遍历次数为：" + i);
        }
    }
}

日志输出：

[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 2013K->496K(2560K)] 2013K->1055K(9728K), 0.0008150 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 2456K->496K(2560K)] 3015K->2023K(9728K), 0.0007776 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 2456K->0K(2560K)] [ParOldGen: 6647K->5472K(7168K)] 9103K->5472K(9728K), [Metaspace: 2652K->2652K(1056768K)], 0.0024768 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(2560K)] 5472K->5472K(9728K), 0.0003580 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(2560K)] [ParOldGen: 5472K->5447K(7168K)] 5472K->5447K(9728K), [Metaspace: 2652K->2652K(1056768K)], 0.0039904 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
遍历次数为：17
Heap
 PSYoungGen      total 2560K, used 81K [0x00000007bfd00000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000)
  eden space 2048K, 4% used [0x00000007bfd00000,0x00000007bfd147b8,0x00000007bff00000)
  from space 512K, 0% used [0x00000007bff00000,0x00000007bff00000,0x00000007bff80000)
  to   space 512K, 0% used [0x00000007bff80000,0x00000007bff80000,0x00000007c0000000)
 ParOldGen       total 7168K, used 5447K [0x00000007bf600000, 0x00000007bfd00000, 0x00000007bfd00000)
  object space 7168K, 75% used [0x00000007bf600000,0x00000007bfb51ce8,0x00000007bfd00000)
 Metaspace       used 2684K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 290K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.Arrays.copyOfRange(Arrays.java:3664)
    at java.lang.String.<init>(String.java:207)
    at java.lang.StringBuilder.toString(StringBuilder.java:407)
    at com.nasuf.jvm.GCTest.main(GCTest.java:18)

Process finished with exit code 0

可以看到：

OOM异常抛出之前一定会执行一次Full GC
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 2013K->496K(2560K)] 2013K->1055K(9728K), 0.0008150 secs]中，2013K指的是新生代执行GC之前占用的大小，496K指的是新生代执行GC之后占用的大小，2560K指的是新生代总大小；后面的2013K指的是堆空间在执行GC之前占用的大小（此处与新生代执行GC之前占用的大小相同，是因为在第一次执行GC时，老年代没有任何数据，此时堆空间占用的大小就是新生代占用的大小），而1055K是堆空间在执行GC之后占用的大小，9728K是整个堆空间的大小（即设置的运行参数-Xms9m -Xmx9m）

6. 堆空间分代思想

为什么需要把Java堆分代？不分代就不能正常工作了吗？

经研究，不同对象的生命周期不同，70%-99%的对象是临时对象。新生代由Eden、两块大小相同的Survivor（又称为from/to, S0/S1)区构成，to区总为空；老年代存放新生代中经历多次GC仍然存活的对象
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死的，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死的对象区域进行回收，这样就会腾出很大的空间出来

7. 内存分配策略

如果对象在Eden出生并经过第一次Minor GC后仍然存活，并且能被Survivor容纳的话，将被移动到Survivor空间中，并将对象年龄设为1。对象在Survivor区中每熬过一次Minor GC，年龄就增加1，当它的年龄增加到一定程度（默认为15，其实每个JVM，每个GC都有所不同）时，就会被晋升到老年代中。

对象晋升老年代的年龄阈值，可以通过选项-XX:MaxTenuringThreshold来设置

针对不同年龄段的对象分配原则如下所示：

优先分配到Eden区
大对象直接分配到老年代尽量避免程序中出现过多的大对象

代码测试

/**
 * -Xms60m -Xmx60m -XX:NewRatio=2 -XX:SurvivorRatio=8
 * -XX:+PrintGCDetails
 * => Eden: 16m, Survivor0/Survivor1: 2m, Old: 40m
 */
public class YoungOldSpaceTest {
    public static void main(String[] args) {
        byte[] buffer = new byte[1024 * 1024 * 20]; // 20m
    }
}

日志输出：

Heap
 PSYoungGen      total 18432K, used 2650K [0x00000007bec00000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000)
  eden space 16384K, 16% used [0x00000007bec00000,0x00000007bee969d0,0x00000007bfc00000)
  from space 2048K, 0% used [0x00000007bfe00000,0x00000007bfe00000,0x00000007c0000000)
  to   space 2048K, 0% used [0x00000007bfc00000,0x00000007bfc00000,0x00000007bfe00000)
 ParOldGen       total 40960K, used 20480K [0x00000007bc400000, 0x00000007bec00000, 0x00000007bec00000)
  object space 40960K, 50% used [0x00000007bc400000,0x00000007bd800010,0x00000007bec00000)
 Metaspace       used 2952K, capacity 4556K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 315K, capacity 392K, committed 512K, reserved 1048576K

可以看到ParOldGen total 40960K, used 20480K，20m的对象直接分配到老年代

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，年龄大于或等于该年龄的对象可以直接进入老年代，无需等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄
空间分配担保：-XX:HandlePromotionFailure

8. TLAB

为什么有TLAB(Thread Local Allocation Buffer)

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

什么是TLAB?

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
目前所知所有OpenJDK衍生出来的JVM都提供了TLAB的设计

TLAB的再说明：

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

代码验证TLAB开启状态：

public class TLABTest {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("testing...");
        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

程序启动后在命令行中执行：

$ jps
25059
27944 Launcher
27945 TLABTest
27947 Jps
13213 Main

$ jinfo -flag UseTLAB 27945
-XX:+UseTLAB

输出-XX:+UseTLAB表明TLAB默认状态下是开启的

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

对象分配整个过程：

9. 堆空间的参数设置小结

官网说明 https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html

-XX:+PrintFlagsInitial 查看所有的参数的默认初始值
-XX:+PrintFlagsFinal 查看所有的参数的最终值（可能会存在修改，不再是初始值）
-Xms 初始堆空间内存（默认为物理内存的1/64）
-Xmx 最大堆空间内存（默认为物理内存的1/4）
-Xmn 设置新生代的大小（初始值及最大值）
-XX:NewRatio 配置新生代与老年代在堆结构的占比
-XX:SurvivorRatio 设置新生代中Eden和S0/S1空间的比例
-XX:MaxTenuringThreshold 设置新生代垃圾的最大年龄
-XX:+PrintGCDetails 输出详细的GC处理日志

-XX:+PrintGC 或 -verbose:gc 打印GC简要信息

-XX:HandlePromotionFailure是否设置空间分配担保。在发生Minor GC之前，虚拟机会检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象的总空间。如果大于，则此次Minor GC是安全的；如果小于，则虚拟机会查看-XX:HandlePromotionFailure设置值是否允许担保失败：

如果 HandlePromotionFailure=true

继续检查老年代最大可用连续空间是否大于历次晋升到老年代的对象的平均大小：如果大于，则尝试进行一次Minor GC，但这次Minor GC依然是有风险的；如果小于，则改为进行一次Full GC

如果 HandlePromotionFailure=false

则改为进行一次Full GC

在 JDK6 Update24之后(JDK7)，HandlePromotionFailure参数不会再影响到虚拟机的空间分配担保策略，观察OpenJDK中的源码变化，虽然源码中还定义了HandlePromotionFailure参数，但是在代码中已经不会再使用它。JDK6 Update24之后的规则变为只要老年代的连续空间大于新生代对象总大小或者历次晋升的平均大小就会进行Minor GC，否则将进行Full GC

10. 逃逸分析

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夜渐渐变得不那么“绝对”了

在Java虚拟机中，对象是在Java堆中分配内存的，这是一个普遍的常识。但是，有一种特殊情况，那就是如果经过逃逸分析（Escape Analysis）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

此外，前面提到的基于OpenJDK深度定制的TaoBaoVM，其中创新的GCID(GC Invisible Heap)技术实现off-heap，将生命周期较长的Java对象从heap中移至heap外，并且GC不能管理GCIH内部的Java对象，以此达到降低GC的回收频率和提升GC的回收效率的目的

10.1 概述

如何将堆上的对象分配到栈，需要使用逃逸分析手段
这是一种可以有效减少Java程序中同步负载和内存堆分配压力的跨函数全局数据流分析算法
通过逃逸分析，Java HotSpot编译器能够分析出一个新的对象的引用的使用范围，从而决定是否要将这个对象分配到堆上
逃逸分析的基本行为就是分析对象的动态作用域：当一个对象在方法中被定义后，对象只在方法内存使用，则认为没有发生逃逸；当一个对象在方法中被定义后，它被外部方法所引用，则认为发生逃逸。例如作为调用参数传递到其他地方

代码举例

public void test() {
    Object o = new Object();
    // use v
    // ...
    o = null;
}

没有发生逃逸的对象，则可以分配到栈上，随着方法执行的结束，栈空间就被移除

public static StringBuffer createStringBuffer(String s1, String s2) {
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append(s1);
    sb.append(s2);
    return sb;
}

上述代码如果想要StringBuffer sb不逃逸出方法，可以这样写：

public static String createStringBuffer(String s1, String s2) {
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append(s1);
    sb.append(s2);
    return sb.toString();
}

更多逃逸分析代码举例

package com.nasuf.jvm;

/**
 * 逃逸分析
 *
 * 如何快速判断是否发生了逃逸，就看new的对象实体是否有可能在方法外被调用
 */
public class EscapeAnalysis {
    public EscapeAnalysis obj;

    /**
     * 方法返回EscapeAnalysis对象，发生逃逸
     * @return
     */
    public EscapeAnalysis getInstance() {
        return obj == null ? new EscapeAnalysis() : obj;
    }

    /**
     * 为成员属性赋值，发生逃逸
     */
    public void setObj() {
        this.obj = new EscapeAnalysis();
    }

    /**
     * 对象作用域仅在当前方法中有效，没有发生逃逸
     */
    public void useEscapeAnalysis() {
        EscapeAnalysis e = new EscapeAnalysis();
    }

    /**
     * 引用成员变量的值，发生逃逸
     * 注意：此例中关注的是getInstance()方法中new的对象实体，而非变量e
     */
    public void useEscapeAnalysis2() {
        EscapeAnalysis e = getInstance();
        // getInstance().xxx() 同样会发生逃逸
    }
}

参数设置：

在JDK 6u23版本之后，HotSpot中默认就已经开启了逃逸分析
如果使用的是较早的版本，开发人员可以通过选项-XX:+DoEscapeAnalysis显式开启逃逸分析；通过选项-XX:+PrintEscapeAnalysis查看逃逸分析的筛选结果

结论：开发中能使用局部变量的，就不要在方法外定义

10.2 代码优化

使用逃逸分析，编译器可以对代码做如下优化：

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
同步省略。 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
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

10.2.1 栈上分配

JIT编译器在编译期间根据逃逸分析的结果，发现如果一个对象并没有逃逸出方法的话，就可能被优化成栈上分配。分配完成后，继续在调用栈内执行，最后线程结束，栈空间被回收，局部变量对象也被回收。这样就无需进行垃圾回收了
常见逃逸的场景：给成员变量赋值、方法返回值、实例引用传递

代码演示

package com.nasuf.jvm;

/**
 * -XX:+PrintGCDetails
 */
public class StackAllocation {
    public static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            alloc();
        }
        // 查看执行时间
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("花费的时间为：" + (end - start) + " ms");
        // 为了方便查看堆内存中对象的个数，线程sleep
        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private static void alloc() {
        // 未发生逃逸
        User user = new User();
    }

    static class User {}
}

此时运行参数为内存空间1G（足够大），并关闭逃逸分析-Xmx1G -Xms1G -XX:-DoEscapeAnalysis，输出：

花费的时间为：86 ms

使用jvisualvm中的抽样器->内存查看内存中对象状态如下：

可以看到内存中有一千万个User对象

如果运行参数修改为-XX:+DoEscapeAnalysis开启逃逸分析并执行程序，可以看到输出内存分配的时间大幅降低：

花费的时间为：4 ms

再次修改运行参数，降低起始和最大内存空间为256m并关闭逃逸分析-Xms256m -Xms256m -XX:-DoEscapeAnalysis 输出如下：

[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 65536K->528K(76288K)] 65536K->536K(251392K), 0.0007652 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 66064K->480K(76288K)] 66072K->488K(251392K), 0.0006022 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
花费的时间为：55 ms

可以看到程序内存执行了GC

而如果打开逃逸分析-XX:+DoEscapeAnalysis，可以看到GC没有发生（栈中不会发生GC)：

花费的时间为：5 ms

10.2.2 同步省略

线程同步的代价是相当高的，同步的后果是降低并发性和性能
在动态编译同步块的时候，JIT编译器可以借助逃逸分析来判断同步块所使用的的锁对象是否只能够被一个线程访问而没有被发布到其他线程。如果没有，那么JIT编译器在编译这个同步块的时候就会取消对这部分代码的同步。这样就能大大提高并发性和性能。这个取消同步的过程就叫同步省略，也叫锁消除

代码演示

public void f() {
    Object hollis = new Object();
    synchronized (hollis) {
        System.out.println(hollis);
    }
}

代码中对hollis这个对象进行加锁，但是hollis对象的生命周期只在f()方法中，并不会被其他线程所访问到，所以在JIT编译阶段就会被优化成：

public void f() {
    Object hollis = new Object();
    System.out.println(hollis);
}

但是要注意，在f()方法的字节码文件中，我们依然能够看到监视器的使用和退出相关的字节码指令

 0 new #2 <java/lang/Object>
 3 dup
 4 invokespecial #1 <java/lang/Object.<init>>
 7 astore_1
 8 aload_1
 9 dup
10 astore_2
11 monitorenter
12 getstatic #3 <java/lang/System.out>
15 aload_1
16 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println>
19 aload_2
20 monitorexit
21 goto 29 (+8)
24 astore_3
25 aload_2
26 monitorexit
27 aload_3
28 athrow
29 return

10.2.3 分离对象或标量替换

标量（Scalar） 是指一个无法再分解成更小的数据的数据。Java中的原始数据类型就是标量

相对的，那些还可以分解的数据叫做聚合量（Aggregate），Java中的对象就是聚合量，因为它可以分解成其他聚合量和标量

在JIT阶段，如果经过逃逸分析，发现一个对象不会被外界访问的话，那么经过JIT优化，就会把这个对象拆解成若干个其中包含的若干个成员变量来代替。这个过程就是标量替换. 参数-XX:+EliminateAllocations默认打开状态，允许将对象打散分配在栈上

代码演示

package com.nasuf.jvm;

public class ScalarReplace {

    public static class User {
        public int id;
        public String name;
    }

    public static void alloc() {
        User u = new User();    // 未发生逃逸，执行标量替换
        u.id = 5;
        u.name = "nasuf";
    }

    public static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            alloc();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("花费的时间为：" + (end - start) + " ms");
    }

}

运行参数为-Xms100m -Xmx100m -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC -XX:-EliminateAllocations，打开逃逸分析，关闭标量替换，此时User对象还是分配到堆空间中。输出：

[GC (Allocation Failure)  25600K->504K(98304K), 0.0008521 secs]
[GC (Allocation Failure)  26104K->440K(98304K), 0.0006371 secs]
[GC (Allocation Failure)  26040K->472K(98304K), 0.0004948 secs]
[GC (Allocation Failure)  26072K->472K(98304K), 0.0004898 secs]
[GC (Allocation Failure)  26072K->424K(98304K), 0.0004289 secs]
[GC (Allocation Failure)  26024K->456K(101888K), 0.0005304 secs]
[GC (Allocation Failure)  33224K->352K(101888K), 0.0005369 secs]
[GC (Allocation Failure)  33120K->352K(100864K), 0.0003237 secs]
花费的时间为：46 ms

可以看到对象内存分配时间为46ms，同时运行过程中进行了GC。而如果打开标量替换-XX:+EliminateAllocations再次执行，输出如下：

花费的时间为：4 ms

可以看到内存没有进行GC，对象分配时间大幅缩短至4ms。因为在标量替换开启后，方法:

public static void alloc() {
    User u = new User();    // 未发生逃逸，执行标量替换
    u.id = 5;
    u.name = "nasuf";
}

实际被替换为：

public static void alloc() {
    int id = 5;
    String name = "nasuf";
}

这样就不需要进行堆内存分配，减少GC，直接进行栈上分配。

但是要注意，逃逸分析的开启前提是JVM要启动server模式，即添加-server参数；而64位虚拟机默认开启server模式：

$ java -version
java version "1.8.0_202"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_202-b08)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.202-b08, mixed mode)

10.3 小结：逃逸分析并不成熟

关于逃逸分析的论文在1999年就已经发表了，但直到JDK1.6才有实现，而且这项技术到如今也并不是十分成熟的
其根本原因就是虽然经过逃逸分析可以做标量替换、栈上分配和锁消除，但是逃逸分析自身也是需要进行一系列复杂的分析的，这其实也是一个相对耗时的过程
一个极端的例子，就是经过逃逸分析之后，发现没有一个对象是不逃逸的。那这个逃逸分析的过程就白白浪费掉了
虽然这项技术并不十分成熟，但是它也是及时编译器优化技术中一个十分重要的手段
注意到有一些观点，认为通过逃逸分析，JVM会在栈上分配那些不会逃逸的对象,这在理论上是可行的,但是取决于JVM设计者的选择。Oracle HotSpot JVM中并未这么做，这一点在逃逸分析相关的文档里已经说明，所以可以明确所有的对象实例都是创建在堆上的
目前很多书籍还是基于JDK7以前的版本，JDK已经发生了很大的变化，intern字符串的缓存和静态变量曾经都被分配在永久代上，而永久代已经被元数据区所取代。但是intern字符串缓存和静态变量并不是被转移到元数据区，而是直接在堆上分配，所以这一点同样符合前面一点的结论：对象实例都是分配在堆上

JVM系列(六)运行时数据区(堆)（jvm运行机制）

1. 堆的核心概述

1.1 内存细分

2. 设置堆内存大小与OOM

3. 年轻代与老年代

4. 图解对象分配过程

4.1 对象分配过程概述

4.2 图解过程

5. Minor GC、Major GC与Full GC

5.1 年轻代Minor GC触发机制

5.2 老年代Major GC / Full GC触发机制

5.3 Full GC触发机制

5.4 GC日志分析

6. 堆空间分代思想

7. 内存分配策略

8. TLAB

9. 堆空间的参数设置小结

10. 逃逸分析

10.1 概述

10.2 代码优化

10.2.1 栈上分配

10.2.2 同步省略

10.2.3 分离对象或标量替换

10.3 小结：逃逸分析并不成熟

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8. TLAB

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10.2.1 栈上分配

10.2.2 同步省略

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10.3 小结：逃逸分析并不成熟

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