第3章：深入堆空间
深入堆空间
在第2章中，我们讨论了引用和对象在内存中的差异。引用及其所指对象密切相关。我们发现，Java的按值调用机制可能会引发一个安全问题——“引用逃逸”，此外还有可变对象的问题。通过示例代码和示意图，我们考察了这些问题以及如何使用防御性拷贝来解决它们。
我们知道，基本类型和引用可以存在于栈和堆上，而对象只存在于堆上。现在，我们准备更仔细地审视堆，为下一章关于垃圾回收（GC）的内容做准备。本章将涵盖以下主题：
- 探索堆上的不同代际
- 学习如何使用这些空间
堆空间由两个不同的内存区域组成：
虽然本章不会深入讲解GC过程，但我们需要解释什么是存活对象。存活对象是指从GC根可达的对象。
探索堆上的不同代际
垃圾回收根
GC根是一种特殊类型的存活对象，因此不可被GC回收。所有从GC根可达的对象也都是存活的，因此也不可被GC回收。GC根在GC中充当起点——从这些根开始，将所有可达对象标记为存活。最常见的GC根如下：
- 栈上的局部变量
- 所有活跃的Java线程
- 静态变量（因为可以通过其类来引用）
- Java本地接口（JNI）引用——由本地代码在JNI调用过程中创建的对象。这是一种非常特殊的GC根情况，因为JVM不知道这些对象是否被本地代码引用。
让我们看看这些空间在内存中是如何呈现的，如图3.1所示：
图3.1 – 堆代际
（此处为示意图，展示年轻代（Eden、S0、S1）和老年代（Tenured）的布局。年轻代包含Eden和Survivor空间（S0和S1），老年代位于右侧。）
在此，我们需要一些简要的定义，以便讨论这些空间的使用方式：
- 年轻代空间 – 年轻代空间，有时被称为新生区或新空间，包含两个独立区域：Eden空间和Survivor空间。两者功能不同，总体目标是提高内存效率。我们将依次讨论：
- Eden空间：新对象分配在Eden空间。当Eden空间已满，无法分配新对象时，会触发年轻代（Minor）垃圾回收。
- Survivor空间：存在两个大小相等的Survivor空间，即S0和S1。Minor垃圾回收器交替使用这些区域。我们将在后面更详细地探讨。
- 老年代空间 – 也称为终身代空间。这是生命周期较长的对象所在的位置。换句话说，垃圾回收器将在一定数量的GC中存活下来的对象移到这里。当终身代空间变满时，会触发一次Major GC。
学习如何使用这些空间
为了理解这些不同空间的使用方式，我们将分两个阶段进行解释。首先，我们考察Minor GC算法中这些空间的使用方式。随后，通过一个示例展示该算法的实际运行。
理解Minor垃圾回收算法
我们先从Minor GC算法开始。图3.2是Minor GC过程的高级伪代码：
图3.2 – Minor垃圾回收算法的伪代码
当Minor GC触发时: 复制Eden中所有存活对象到目标Survivor空间(S0或S1),设置年龄为1 检查源Survivor空间: 将年龄达到晋升阈值的存活对象复制到老年代(晋升) 将剩余(未晋升)的存活对象复制到目标Survivor空间,年龄加1 清空Eden和源Survivor空间
让我们用一个“Given-When-Then”场景来分析上图所示的过程。
- Given（给定）：初始时，S0作为目标Survivor空间，S1作为源Survivor空间。
- When（当）：Minor垃圾回收器运行。换句话说，Eden空间没有足够空间容纳JVM希望分配的对象。
- Then（那么）：
- 将所有来自Eden空间的存活对象复制到S0 Survivor空间。这些对象的年龄被设置为1，因为它们刚刚通过了第一次GC周期。
- 检查S1，任何存活对象中，年龄达到给定阈值（晋升阈值）的对象被复制到老年代空间，即被晋升。换句话说，这是一个长生命周期对象，因此将其复制到老年代区域（长生命周期对象所在的位置）。这使得未来的Minor GC更高效，因为确保这些相同的对象不会被重新检查。
- 剩余的S1存活对象（未晋升的那些）被复制到S0，其年龄增加1，因为它们刚刚又经历了一个GC周期。
注意，晋升阈值可以使用JVM参数-XX:MaxTenuringThreshold进行配置。实际上，该标志允许你自定义一个对象在Survivor空间中停留多少个GC周期，然后才最终晋升到老年代空间。但使用该参数时需谨慎，因为大于15的值会指定对象永远不晋升，从而用旧对象无限填满Survivor空间。
图3.3展示了刚刚讨论的过程：
图3.3 – 以S0为目标空间的Minor垃圾回收
图中展示了：Eden中存活对象复制到S0（年龄设为1）；S1中年龄达到阈值的对象复制到老年代；S1中年轻存活对象复制到S0（年龄递增）；然后Eden和S1被回收。
以下是总结：
- 复制Eden存活对象到S0（年龄设为1）
- 复制旧S1存活对象到老年代空间
- 复制年轻S1存活对象到S0（年龄递增）
既然来自Eden和S1的存活对象已被复制（保存），Eden和S1现在都可以被回收。
下一次Minor收集器运行时，鉴于上次S0是目标Survivor空间，这次S1将成为目标Survivor空间。因此，所有来自Eden的存活对象被复制到S1，每个对象年龄设为1。由于S1现在是目标空间，S0成为源空间。垃圾回收器检查S0，将长生命周期对象复制到终身代空间，将短生命周期对象复制到S1。图3.4展示了这个过程：
图3.4 – 以S1为目标空间的Minor垃圾回收
图中展示了：Eden中存活对象复制到S1（年龄设为1）；S0中年龄达到阈值的对象复制到老年代；S0中年轻存活对象复制到S1（年龄递增）；然后Eden和S0被回收。
以下是总结：
- 所有Eden存活对象复制到S1（年龄设为1）
- 复制旧S0存活对象到老年代空间
- 复制年轻S0存活对象到S1（年龄递增）
既然来自Eden和S0的存活对象已被复制，Eden和S0都可以被回收。
现在我们已经讨论了空间的使用方式，接下来通过一个示例来增强我们的解释。
演示Minor垃圾回收算法的实际运行
图3.5显示了在第一次Minor垃圾回收运行之前，内存中的初始状态：
图3.5 – 第一次Minor垃圾回收前的初始堆状态
图中展示：Eden空间中有对象A、B、C、D、E、F、G，其中红色对象（A、D、G）不可达（可回收），绿色对象（B、C、E、F）存活；Survivor空间S0和S1均为空；老年代已有部分对象；JVM试图在Eden中分配对象H，但空间不足。
在上图中，对象H代表JVM试图在Eden空间中为其分配内存的对象。Eden空间包含以下内容：
- 红色对象：没有从GC根指向它们的引用。它们符合GC条件。
- 绿色对象：存活对象，意味着它们是GC根或者可通过GC根到达。这些对象不符合GC条件。
- 白色空隙：Eden空间中的间隙。如果有足够连续空间来分配对象，则对象存储在Eden中，并返回其引用。然而，如果由于内存碎片化，没有足够连续空间来分配对象，则会触发一次Minor（年轻代）GC。
Survivor空间包含以下内容：
- S0 – 初始为空；我们假设JVM使用它作为目标Survivor空间
- S1 – 初始也为空；由于S0是目标空间，S1成为源空间（由于初始S1中无内容，第一次运行时没有影响）
老年代（终身代）空间包含长生命周期对象。长生命周期对象是指那些已经存活了预定义次数的Minor GC的对象。这是一个可通过-XX:MaxTenuringThreshold JVM参数自定义的阈值。
如图3.5所示，JVM需要分配对象H，但由于Eden中没有足够空间，这触发了Minor（年轻代）GC。对象A、D、G可以从Eden中移除，对象B、C、E、F可以移动到S0。Eden空间被回收，对象H被分配。
图3.6显示了第一次Minor GC完成后的堆状态：
图3.6 – 第一次Minor垃圾回收后的堆状态
图中展示：Eden中已分配对象H（绿色）；S0中有对象B、C、E、F（年龄均为1）；S1为空；老年代不变。
在上图中，对象H被分配在Eden中，对象B、C、E、F在S0中。注意S0中的对象每个年龄为1，因为这是它们存活的第一次Minor GC。
图3.7显示了第二次Minor GC运行前的堆状态：
图3.7 – 第二次Minor垃圾回收前的堆状态
图中展示：Eden中有对象H（存活）、I（存活）、J（存活）、K（存活）、L（可回收）、M（可回收）；S0中有对象B（可回收）、C（存活）、E（存活）、F（存活）；S1仍为空；JVM试图分配对象N但Eden空间不足。
在图3.7中，JVM试图分配对象N，但Eden中没有空间。这将触发Minor垃圾收集器运行（第二次）。在Eden空间中，对象H、L、M符合GC条件，对象I、J、K存活。在Survivor空间S0中，对象B现已符合GC条件，而对象C、E、F存活。
图3.8显示了第二次Minor GC运行后的堆状态：
图3.8 – 第二次Minor垃圾回收后的堆状态
图中展示：S1中现在有来自Eden的对象I、J、K（年龄1）和来自S0的对象C、E、F（年龄2）；Eden已清空并分配了对象N（存活）；S0被回收；老年代不变。
在图3.8中，S1现在是目标Survivor空间，因此S0是源空间。垃圾收集器将存活对象C、E、F从S0移动到S1，将其年龄值从1增加到2。然后垃圾收集器回收S0空间。
对象I、J、K从Eden移动到S1，年龄值为1，因为这是它们第一次存活过Minor GC。Eden空间被回收，对象N被分配。
最后要展示的是对象移动到终身代空间。这就是图3.9所演示的：
图3.9 – 对象移动到终身代空间
图中展示：经过15次Minor GC后，S0（此时为源空间）中有对象J（年龄14）、P（年龄8）、S（年龄3）和E、F（年龄15，已晋升）；E和F被复制到老年代（年龄值15达到默认阈值15）；S1是目标空间，接收来自Eden的对象X（新分配触发GC）以及来自S0的未晋升对象J、P、S；Eden被回收。
图3.9代表经过15次Minor GC后的堆。对象E和F移动到终身代空间，因为它们的年龄值15已达到阈值（默认阈值是15）。下次Minor垃圾收集器运行时，这两个对象都不会出现，从而使垃圾收集器运行更高效。
对象X是触发本次Minor垃圾收集器的对象，在此次迭代中，S1是源空间，S0是目标Survivor空间。对象J、P、S仍然存活，从S1移动到S0，年龄计数分别为14、8和3。
相关JVM标志
在结束本章之前，值得提及其他一些相关的JVM标志：
-Xms和-Xmx：分别指定堆的最小和最大大小。-XX:NewSize和-XX:MaxNewSize：分别指定年轻代的最小和最大大小。-XX:SurvivorRatio：指定两个Survivor空间相对于Eden空间的大小比例。例如，-XX:SurvivorRatio=6将Eden与一个Survivor空间的比例设置为1:6。换句话说，每个Survivor空间的大小将是Eden的六分之一，因此是年轻代的八分之一（不是七分之一，因为有两个Survivor空间）。-XX:NewRatio：表示新生代相对于老年代的大小比例。例如，-XX:NewRatio=3将新生代与老年代的比例设置为1:3。这意味着新生代（Eden加上两个Survivor空间）占用堆的25%，老年代占用剩余的75%。-XX:PretenureSizeThreshold：如果一个对象的大小大于此标志指定的大小，则该对象会立即晋升，即该对象直接分配到老年代空间。此标志通常与-XX:+UseTLAB配合使用，但需要注意，如果TLAB（线程本地分配缓冲区）已启用，则此阈值可能被忽略。
一般建议
通常，将年轻代空间保持在整个堆大小的25%到33%之间。这确保了老年代空间总是更大。这是可取的，因为Full GC比Minor GC代价更高。
总结
本章我们深入审视了堆空间。我们首先考察了堆上的不同代际——即年轻代空间和老年代（终身代）空间。
年轻代空间分为两个区域：Eden空间和Survivor空间。Eden空间是新对象分配的地方。Survivor空间（S0和S1）用于在Minor GC期间保存从Eden晋升的存活对象。Minor GC算法以交替方式使用这些Survivor空间，通过复制存活对象并递增其年龄来优化内存使用。年龄达到配置阈值的对象被晋升到老年代。我们还通过逐步示例演示了该算法，并介绍了相关的JVM调优标志（如-Xms、-Xmx、-XX:NewRatio、-XX:SurvivorRatio、-XX:MaxTenuringThreshold和-XX:PretenureSizeThreshold），这些标志可用于控制堆代际的大小和行为。
3.0 第3章：深入堆空间
幸存者空间由两个大小相等的空间组成，即 S0 和 S1。年轻代垃圾收集器（次要 GC）在回收内存时会使用这些幸存者空间。当 Eden 空间中没有足够的连续空间来分配对象时，便会触发 Minor GC。通过伪代码和图示，我们考察了次要垃圾收集器如何利用各个代际和空间。接着我们使用了一个包含多个用例场景的例子来强化这些概念。
终身代空间是存放生命周期更长的对象的地方。我们看到，如果一个对象存活过了数个 GC 周期，该对象就会被移至终身代空间，以使后续的 Minor GC 周期更加高效。最后，我们考察了相关的 JVM 标志。
现在我们已经理解了堆，并对次要垃圾收集器有了高层次的了解，准备深入探讨 GC——这正是下一章的主题。
默认值行为
默认值为 0，这意味着不会有任何对象被直接分配至堆的老年代。
图像上下文：
- [第71页上的图564]
- [第73页上的图567]
- [第75页上的图571]
- [第76页上的图573]
- [第77页上的图575]
- [第79页上的图578]
- [第80页上的图580]
- [第81页上的图582]
- [第82页上的图584]
3.0 第3章：深入堆空间
图片内容分析（由视觉模型提取）
Page 71, Image 1: 图片未能加载，无法分析其具体内容。
Page 73, Image 1: 无法识别图片内容，请提供图像。
Page 75, Image 1: 图片展示了Java堆空间的示意图，可能包含年轻代（Young Generation）、老年代（Old Generation）以及元空间（Metaspace）等区域，并标注了对象分配和垃圾回收的流程。该图用于直观说明堆内存的分代管理和对象生命周期。
Page 76, Image 1: 图片内容无法获取（显示为[Unsupported Image]），根据上下文推测，该图可能展示了Java堆空间的结构，包括对象和引用在堆与栈中的分布关系，以及逃逸引用和防御性拷贝的示意图。
Page 77, Image 1: 图片展示了Java堆空间的内部结构，包括年轻代（Eden、Survivor0、Survivor1）和老年代（Tenured）的划分，以及对象分配与晋升的流程。可能还标注了元空间（Metaspace）区域。整体用于说明对象在堆中的生命周期和垃圾回收机制。
Page 79, Image 1: 图片无法获取，无法分析。根据上下文，推测该图片展示了堆空间内部结构，包括对象、引用及其与栈的关系，可能涉及逃逸引用和防御性复制等概念。
Page 80, Image 1: 图片展示了 Java 堆空间的内存结构示意图，其中包含若干对象和引用，用于解释对象在堆中的分配、引用指向以及逃逸引用的问题。图中使用了箭头表示引用关系，并可能标有防御性复制的相关示意。
Page 81, Image 1: 图片内容不可见，无法分析。
Page 82, Image 1: 由于图片无法加载，无法分析其具体内容。