Java虚拟机(JVM)的堆

作者: Arvin Chen 分类: Java面试题 来源: Break易站(www.breakyizhan.com)

Java 中的堆是 JVM 所管理的最大的一块内存空间,主要用于存放各种类的实例对象。
在 Java 中,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。
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。
堆的内存模型大致为:

从图中可以看出: 堆大小 = 新生代 + 老年代。其中,堆的大小可以通过参数 –Xms、-Xmx 来指定。
本人使用的是 JDK1.6,以下涉及的 JVM 默认值均以该版本为准。
默认的,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 ),即:新生代 ( Young ) = 1/3 的堆空间大小。
老年代 ( Old ) = 2/3 的堆空间大小。其中,新生代 ( Young ) 被细分为 Eden 和 两个 Survivor 区域,这两个 Survivor 区域分别被命名为 from 和 to,以示区分。
默认的,Edem : 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。
JVM 每次只会使用 Eden 和其中的一块 Survivor 区域来为对象服务,所以无论什么时候,总是有一块 Survivor 区域是空闲着的。
因此,新生代实际可用的内存空间为 9/10 ( 即90% )的新生代空间。

java的堆和栈的结构:

java堆

根据垃圾回收机制的不同,java堆有可能拥有不同的结构,常见的java堆分为新生代和老年代。其中新生代存放刚创建的对象及年龄不大的对象,老年带存放着在新生代中经历过多次回收后还存在的对象。

 

 

对象晋升过程:

新生代分为eden区s0,s1区(from,to)。多数情况下对象首先分配在eden区,在一次新生代回收后,存活下来的对象存入s0或s1区。每经过一次新生代的回收,对象的年龄加1。默认情况下年龄达到15的对象将晋升至老年代。如果在第一次回收的时候,存活的对象大于s0(s1)空间,将直接晋升至老年代,如果在为对象第一次分配空间时,对象空间大于eden空间的话,对象也直接分配到老年代。

java栈

Java栈和数据结构中的栈有着类似的含义,先进后出,只支持入栈和出栈操作。Java栈中保存的只要内容是栈帧,每一次进行函数调用,都会有一个对应的栈帧被压入栈中,函数调用结束,都会有一个栈帧被弹出栈。

 

栈帧

每一个栈帧中包含局部变量表,操作数栈和帧数据区。

栈上分配

栈上分配的基本思想,是将线程私有的对象,打散分配到栈上,分配在栈上的函数调用结束后对象会自行销毁,不需要垃圾回收接入,从而提升性能。对于大量的零散小对象,栈上分配提供了一种很好的对象分配优化策略,但由于和堆空间相比,栈空间较小,因此大对象无法也不适合在栈上分配

栈上分配依赖逃逸分析和标量替换的实现,同时必须在server模式下才能启用。参数-XX:+DoEscapeAnalysis启用逃逸分析     -XX:+EliminateAllocations开启标量替换(默认打开).

例:-server -Xms 100m -Xmx 100m -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+EliminateAllocations

 

java堆在虚拟机运行时的作用:

栈:

函数中定义的基本类型变量,对象的引用变量都在函数的栈内存中分配。
栈内存特点,数数据一执行完毕,变量会立即释放,节约内存空间。
栈内存中的数据,没有默认初始化值,需要手动设置。

 

堆:

堆内存用来存放new创建的对象和数组。
堆内存中所有的实体都有内存地址值。
堆内存中的实体是用来封装数据的,这些数据都有默认初始化值。
堆内存中的实体不再被指向时,JVM启动垃圾回收机制,自动清除,这也是JAVA优于C++的表现之一(C++中需要程序员手动清除)。

java堆和栈的例子

第1步——执行int[] x=new int[3];
隐藏以下几分支
JVM执行main()函数,在栈内存中开辟一个空间,存放x变量(x变量是局部变量)。
同时,在堆内存中也开辟一个空间,存放new int[3]数组,堆内存会自动内存首地址值,如0x0045。
数组在栈内存中的地址值,会附给x,这样x也有地址值。所以,x就指向(引用)了这个数组。此时,所有元素均未附值,但都有默认初始化值0。

第2步——执行x[0]=20
即在堆内存中将20附给[0]这个数组元素。这样,数组的三个元素值分别为20,0,0

示图如下:

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示例3
main()
int[] x=new int[3];
x[0]=20
x=null;

以上步骤执行步骤
第1、2步——与示例2完全一样,略。

第3步——执行x=null;
null表示空值,即x的引用数组内存地址0x0045被删除了,则不再指向栈内存中的数组。此时,堆中的数组不再被x使用了,即被视为垃圾,JVM会启动垃圾回收机制,不定时自动删除。

示图如下

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示例4
main()
int[] x=new int[3];
int[] y=x;
y[1]=100
x=null;

以上步骤执行步骤

第1步——与示例2第1步一致,略。
第2步——执行int[] y=x,
在栈内存定义了新的数组变量内存y,同时将x的值0x0045附给了y。所以,y也指向了堆内存中的同一个数组。
第3步——执行y[1]=100
即在堆内存中将20附给[0]这个数组元素。这样,数组的三个元素值分别为0,100,0
第4步——执行x=null
则变量x不再指向栈内存中的数组了。但是,变量y仍然指向,所以数组不消失。

示图如下

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示例5

Car c=new Car;
c.color="blue";
Car c1=new Car;
c1.num=5;

虽然是个对象都引用new Car,但是是两个不同的对象。每一次new,都产生不同的实体

 

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示例6

Car c=new Car;
c.num=5;
Car c1=c;
c1.color="green";
c.run();

Car c1=c,这句话相当于将对象复制一份出来,两个对象的内存地址值一样。所以指向同一个实体,对c1的属性修改,相当于c的属性也改了。

 

JVM 参数选项

jvm 可配置的参数选项可以参考 Oracle 官方网站给出的相关信息:http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/tech/vmoptions-jsp-140102.html
下面只列举其中的几个常用和容易掌握的配置选项:

 -Xms  初始堆大小。如:-Xms256m
 -Xmx  最大堆大小。如:-Xmx512m
 -Xmn  新生代大小。通常为 Xmx 的 1/3 或 1/4。新生代 = Eden + 2 个 Survivor 空间。实际可用空间为 = Eden + 1 个 Survivor,即 90%
 -Xss  JDK1.5+ 每个线程堆栈大小为 1M,一般来说如果栈不是很深的话, 1M 是绝对够用了的。
 -XX:NewRatio  新生代与老年代的比例,如 –XX:NewRatio=2,则新生代占整个堆空间的1/3,老年代占2/3
 -XX:SurvivorRatio  新生代中 Eden 与 Survivor 的比值。默认值为 8。即 Eden 占新生代空间的 8/10,另外两个 Survivor 各占 1/10
 -XX:PermSize  永久代(方法区)的初始大小
 -XX:MaxPermSize  永久代(方法区)的最大值
 -XX:+PrintGCDetails  打印 GC 信息
 -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError  让虚拟机在发生内存溢出时 Dump 出当前的内存堆转储快照,以便分析用

可以参照一下下面代码:

1 /**
 2  -Xms60m
 3  -Xmx60m
 4  -Xmn20m
 5  -XX:NewRatio=2 ( 若 Xms = Xmx, 并且设定了 Xmn, 那么该项配置就不需要配置了 )
 6  -XX:SurvivorRatio=8
 7  -XX:PermSize=30m
 8  -XX:MaxPermSize=30m
 9  -XX:+PrintGCDetails
10  */
11 public static void main(String[] args) {
12     new Test().doTest();
13 }
14
15 public void doTest(){
16     Integer M = new Integer(1024 * 1024 * 1);  //单位, 兆(M)
17     byte[] bytes = new byte[1 * M]; //申请 1M 大小的内存空间
18     bytes = null;  //断开引用链
19     System.gc();   //通知 GC 收集垃圾
20     System.out.println();
21     bytes = new byte[1 * M];  //重新申请 1M 大小的内存空间
22     bytes = new byte[1 * M];  //再次申请 1M 大小的内存空间
23     System.gc();
24     System.out.println();
25 }
执行后的信息如下:
[ GC [ PSYoungGen:  1351K -> 288K (18432K) ]  1351K -> 288K (59392K), 0.0012389 secs ]  [ Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs ] 
[ Full GC (System)  [ PSYoungGen:  288K -> 0K (18432K) ]  [ PSOldGen:  0K -> 160K (40960K) ]  288K -> 160K (59392K)  [ PSPermGen:  2942K -> 2942K (30720K) ],  0.0057649 secs ] [ Times:  user=0.00  sys=0.00,  real=0.01 secs ] 
 
[ GC [ PSYoungGen:  2703K -> 1056K (18432K) ]  2863K -> 1216K(59392K),  0.0008206 secs ]  [ Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs ] 
[ Full GC (System)  [ PSYoungGen:  1056K -> 0K (18432K) ]  [ PSOldGen:  160K -> 1184K (40960K) ]  1216K -> 1184K (59392K)  [ PSPermGen:  2951K -> 2951K (30720K) ], 0.0052445 secs ]  [ Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.01 secs ] 
 
Heap
 PSYoungGen      total 18432K, used 327K [0x00000000fec00000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
  eden space 16384K, 2% used [0x00000000fec00000,0x00000000fec51f58,0x00000000ffc00000)
  from space 2048K, 0% used [0x00000000ffe00000,0x00000000ffe00000,0x0000000100000000)
  to   space 2048K, 0% used [0x00000000ffc00000,0x00000000ffc00000,0x00000000ffe00000)
 PSOldGen        total 40960K, used 1184K [0x00000000fc400000, 0x00000000fec00000, 0x00000000fec00000)
  object space 40960K, 2% used [0x00000000fc400000,0x00000000fc5281f8,0x00000000fec00000)
 PSPermGen       total 30720K, used 2959K [0x00000000fa600000, 0x00000000fc400000, 0x00000000fc400000)
  object space 30720K, 9% used [0x00000000fa600000,0x00000000fa8e3ce0,0x00000000fc400000)
从打印结果可以看出,堆中新生代的内存空间为 18432K ( 约 18M ),eden 的内存空间为 16384K ( 约 16M),from / to survivor 的内存空间为 2048K ( 约 2M)。
这里所配置的 Xmn 为 20M,也就是指定了新生代的内存空间为 20M,可是从打印的堆信息来看,新生代怎么就只有 18M 呢? 另外的 2M 哪里去了?
别急,是这样的。新生代 = eden + from + to = 16 + 2 + 2 = 20M,可见新生代的内存空间确实是按 Xmn 参数分配得到的。
而且这里指定了 SurvivorRatio = 8,因此,eden = 8/10 的新生代空间 = 8/10 * 20 = 16M。from = to = 1/10 的新生代空间 = 1/10 * 20 = 2M。
堆信息中新生代的 total 18432K 是这样来的: eden + 1 个 survivor = 16384K + 2048K = 18432K,即约为 18M。
因为 jvm 每次只是用新生代中的 eden 和 一个 survivor,因此新生代实际的可用内存空间大小为所指定的 90%。
因此可以知道,这里新生代的内存空间指的是新生代可用的总的内存空间,而不是指整个新生代的空间大小。
另外,可以看出老年代的内存空间为 40960K ( 约 40M ),堆大小 = 新生代 + 老年代。因此在这里,老年代 = 堆大小 – 新生代 = 60 – 20 = 40M。
最后,这里还指定了 PermSize = 30m,PermGen 即永久代 ( 方法区 ),它还有一个名字,叫非堆,主要用来存储由 jvm 加载的类文件信息、常量、静态变量等。
本文内容:Java的详解:Java虚拟机(JVM)的堆
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