↓跳到主要内容

图解Jvm 6.堆

·2586 字·6 分钟
JVM 图解JVM

1. 堆（Heap）的核心概述 #

1.1 堆内存细分 #

堆是JVM管理的最大内存区域，具有以下核心特征：

  • 所有线程共享的运行时数据区
  • 虚拟机启动时创建
  • 唯一目的：存放对象实例
  • GC管理的主要区域（因此也被称作"GC堆"）

现代JVM堆内存的典型划分：

  1. 年轻代（Young Generation）
  2. 老年代（Old Generation）
  3. 永久代/元空间（Permanent Gen/Metaspace）

1.2 堆空间内部结构（JDK7） #

JDK7及之前的堆结构特点：

  • 永久代（Permanent Generation）位于堆内存中
  • 字符串常量池存放在永久代
  • 方法区使用永久代实现

1.3 堆空间内部结构（JDK8） #

JDK8的重要变化：

  • 永久代被元空间（Metaspace）取代
  • 元空间使用本地内存（Native Memory）
  • 字符串常量池移至堆内存
  • 方法区改由元空间实现

2. 设置堆内存大小与OOM #

2.1 堆空间大小的设置 #

关键参数说明：

  • -Xms：初始堆大小（默认物理内存1/64）
  • -Xmx：最大堆大小（默认物理内存1/4）
  • 建议生产环境设置：-Xms = -Xmx（避免内存震荡）

示例设置：

java -Xms512m -Xmx4g MyApp

2.2 OutOfMemory举例 #

典型OOM场景模拟代码：

public class OOMDemo {
    public static void main(String[] args) {
        List<byte[]> list = new ArrayList<>();
        while(true) {
            list.add(new byte[1024 * 1024]); // 每次分配1MB
        }
    }
}

运行结果：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

排查工具推荐：

  1. jvisualvm（可视化监控）
  2. jmap（内存分析）
  3. Eclipse Memory Analyzer（内存快照分析）

3. 年轻代与老年代 #

核心规则 #

  1. 对象优先在Eden区分配
  2. 大对象直接进入老年代
  3. 长期存活对象进入老年代（默认年龄阈值15）
  4. 动态年龄判断（Survivor区中相同年龄对象总和超过50%时晋升）

代际比例参数 #

-XX:NewRatio=2  // 老年代/年轻代=2:1
-XX:SurvivorRatio=8  // Eden/Survivor=8:1:1

4. 图解对象分配过程 #

详细分配流程： #

  1. 新对象尝试在Eden区分配
  2. Eden区空间不足时触发Minor GC
  3. 存活对象复制到Survivor区（To区）
  4. 对象年龄计数器+1
  5. Survivor区空间不足时部分对象晋升老年代
  6. 大对象直接进入老年代

5. GC类型与触发机制 #

5.1 分代GC策略 #

GC类型触发条件执行速度停顿时间
Minor GCEden区满快短
Major GC老年代满慢长
Full GC堆/方法区满最慢最长

触发机制对比 #

  1. Minor GC触发条件：
    • Eden区空间不足
    • 平均晋升大小 > 老年代剩余空间
    • HandlePromotionFailure=false
  2. Full GC触发条件：
    • System.gc()调用（建议型）
    • 老年代空间不足
    • 方法区（元空间）不足
    • CMS GC失败回退

6. 堆空间分代思想 #

分代设计哲学 #

  1. 弱分代假说：绝大多数对象朝生夕灭
  2. 强分代假说：熬过多次GC的对象难以消亡
  3. 跨代引用假说：跨代引用相对少数

7. 内存分配策略 #

七大黄金法则 #

  1. 优先Eden分配：90%以上的新对象在Eden区创建
  2. 大对象直通：-XX:PretenureSizeThreshold=1MB（默认值）
  3. 长期存活晋升：-XX:MaxTenuringThreshold=15
  4. 动态年龄判断：Survivor区中同年龄对象总大小 > Survivor空间50%
  5. 空间分配担保：-XX:+HandlePromotionFailure（JDK7后失效）
  6. 逃逸分析优化：栈上分配/标量替换（后文详解）
  7. TLAB优先：线程私有分配缓冲区加速对象创建

8. TLAB机制深度解析 #

8.1 为什么需要TLAB？ #

  1. 解决多线程竞争：避免全局Eden区的指针碰撞
  2. 提升分配效率：线程本地操作无需同步锁
  3. 减少内存碎片：预分配连续内存块

8.2 TLAB核心参数 #

-XX:+UseTLAB              # 启用TLAB（默认开启）
-XX:TLABSize=512k         # 初始大小
-XX:TLABRefillWasteFraction=64  # 最大浪费空间
-XX:-ResizeTLAB           # 禁止动态调整

8.3 TLAB工作流程 #

9. 堆参数大全 #

参数作用说明示例值
-Xms初始堆大小-Xms512m
-Xmx最大堆大小-Xmx4g
-XX:NewRatio老年代/年轻代比例-XX:NewRatio=2
-XX:SurvivorRatioEden/Survivor比例-XX:SurvivorRatio=8
-XX:+PrintGCDetails打印GC日志-
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryErrorOOM时生成dump文件-

10. 逃逸分析技术 #

10.1 逃逸类型判定 #

// 全局逃逸（方法返回值）
public Object escape1() {
    return new Object();
}

// 参数逃逸（作为参数传递）
public void escape2() {
    Object o = new Object();
    otherMethod(o);
}

// 无逃逸（对象未离开方法）
public void noEscape() {
    Object o = new Object();
    System.out.println(o.hashCode();
}

10.2 三大优化技术 #

栈上分配示例 #

public void stackAllocation() {
    User user = new User();  // 对象未逃逸
    user.id = 1;
    System.out.println(user);
}

同步消除案例 #

public String syncEliminate() {
    StringBuffer sb = new StringBuffer(); // 线程安全方法中的局部对象
    sb.append("a").append("b");
    return sb.toString();
}

标量替换演示 #

public class Point {
    int x;
    int y;
}

public void scalarReplace() {
    Point p = new Point();  // 被拆解为两个int变量
    p.x = 10;
    p.y = 20;
    System.out.println(p.x + p.y);
}

10.3 逃逸分析现状 #

  1. 优势：减少堆压力，提升程序性能
  2. 局限：
    • 分析计算成本高（JVM默认开启：-XX:+DoEscapeAnalysis）
    • 无法完全替代堆分配
    • 栈空间限制大对象分配

11. 堆的常见问题与解决方案 #

11.1 内存泄漏排查 #

特征表现：

  • 老年代使用率曲线呈"阶梯式"上升
  • Full GC后内存回收效果差
  • 最终导致OOM

排查工具组合：

实战步骤：

  1. 使用jstat -gcutil <pid> 1000观察内存趋势
  2. 通过jmap -histo:live <pid>查看对象分布
  3. 使用jmap -dump:format=b,file=heap.hprof <pid>导出内存快照
  4. 在MAT中分析Dominator Tree

11.2 GC频繁问题处理 #

典型场景：

  • Eden区设置过小
  • Survivor区空间不足
  • 存在大量短命大对象

优化方案：

11.3 OOM问题定位 #

快速诊断命令：

# 实时监控
jcmd <pid> GC.heap_info

# 内存直方图
jmap -histo <pid> | head -n 20

# 堆转储分析
jhat heap.dump

12. 高频面试问题与解答 #

Q1: 堆和栈的核心区别？ #

Q2: 对象从年轻代晋升到老年代的条件？ #

  1. 年龄阈值：默认15次GC存活（-XX:MaxTenuringThreshold）
  2. 动态年龄：同年龄对象占Survivor空间50%以上
  3. 大对象直接进入（-XX:PretenureSizeThreshold）

Q3: TLAB如何提升分配效率？ #

Q4: 四种引用类型对GC的影响？ #

引用类型GC回收条件典型应用场景
强引用永不回收普通对象
软引用内存不足时回收缓存
弱引用发现即回收临时映射
虚引用不影响生命周期内存回收跟踪

Q5: 如何选择堆内存大小？ #

黄金准则：

  1. 初始堆（-Xms）设为最大堆（-Xmx）的50-70%
  2. 年轻代占堆的1/3到1/2（-Xmn）
  3. 老年代应能容纳至少两次Full GC后的晋升对象
  4. 监控建议：GC后老年代使用率<70%

Q6: 如何阅读GC日志？ #

示例日志分析：

[GC (Allocation Failure) 
[PSYoungGen: 153600K->25568K(179200K)] 
153600K->54321K(588800K), 0.0457323 secs]
  • PSYoungGen：Parallel Scavenge收集器
  • 153600K->25568K：年轻代回收前后大小
  • 153600K->54321K：整个堆回收前后大小
  • 0.0457323 secs：暂停时间

文章总结：

通过本文的系统讲解，读者应该能够：

  1. 掌握JVM堆的核心结构与内存管理机制
  2. 理解对象分配与回收的全流程
  3. 熟练使用各种监控分析工具
  4. 具备解决实际内存问题的能力
  5. 从容应对相关技术面试