Java 堆内存(Heap)

        堆(Heap)又被称为：优先队列(Priority Queue)，是计算机科学中一类特殊的数据结构的统称。堆通常是一个可以被看做一棵树的数组对象。在队列中，调度程序反复提取队列中第一个作业并运行，因而实际情况中某些时间较短的任务将等待很长时间才能结束，或者某些不短小，但具有重要性的作业，同样应当具有优先权。堆即为解决此类问题设计的一种数据结构。
        堆的数据结构如图所示：

        Heap 是一种数据结构，而我们平时常说的Heap 其实指的是"Heap Memory"(堆内存)，下面所指"Heap"亦均指为堆内存概念。

        Heap 是应用程序在运行期请求操作系统分配给自己的向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。由于从操作系统/JVM 管理的内存分配，所以在分配和销毁时都要占用时间，因此用堆的效率比较低。但是堆的优点在于：编译器不必知道要从堆里分配多少存储空间，也不必知道存储的数据要在堆里停留多长的时间。因此，用堆保存数据时会得到更大的灵活性。事实上，面向对象的多态性，堆内存分配是必不可少的，因为多态变量所需的存储空间只有在运行时创建了对象之后才能确定。在Java 中，要求创建一个对象时，只需用new 关键字及相关的代码即可。执行这些代码时，JVM 会在堆内存中自动进行数据存储空间的分配。当然，为达到这种灵活性，必然会付出一定的代价：在堆里分配存储空间时会花掉更长的时间！这也正是导致我们刚才所说的效率低的原因之一。
        所以堆内存最大的特点就是： 堆允许程序在运行时动态地申请某个大小的内存空间。

        在Java 中，Heap 用来存储数组与new 关键字创建的对象，例如：

Student stu = new Student();

 
        (方法中定义的基本类型的变量和对象的引用变量都在会栈内存中分配)
        首先JVM 会在Heap 中分配出Student 对象存储的内存区域，并将地址返回，然后再在Stack 中创建Student 对象的引用用来存放Heap 分配的Student 地址。之后就可以在程序中使用栈中的引用对象来访问堆中的数组或对象。当使用完对象后，我们不必显式的管理堆内存释放工作，堆内存的释放会由GC(垃圾收集器)自动完成。

        在HotSpot JVM 实现中Heap 内存被“分代”管理，默认的本节以此为例讲解。

        JVM的内存首先被分割成两部分：

        Heap Memory 又被分为两大区域：

        综上如图所示：

 
        1.Young/New Generation 新生代
        程序中新建的对象都将分配到新生代中，新生代又由Eden(伊甸园)与两块Survivor(幸存者) Space 构成。Eden 与Survivor Space 的空间大小比例默认为8:1，即当Young/New Generation 区域的空间大小总数为10M 时，Eden 的空间大小为8M，两块Survivor Space 则各分配1M，这个比例可以通过-XX:SurvivorRatio 参数来修改。Young/New Generation的大小则可以通过-Xmn参数来指定。

        Eden：刚刚新建的对象将会被放置到Eden 中，这个名称寓意着对象们可以在其中快乐自由的生活。

Survivor Space：幸存者区域是新生代与老年代的缓冲区域，两块幸存者区域分别为From Space(s0) 与To Space(s1)，当触发Minor GC 后将仍然存活的对象移动到S0中去。这样Eden 就被清空可以分配给新的对象。
        当再一次触发Minor GC后，S0和Eden 中存活的对象被移动到S1中，S0即被清空。在同一时刻, 只有Eden和一个Survivor Space同时被操作。所以s0与s1两块Survivor 区同时会至少有一个为空闲的。

        当每次对象从Eden 复制到Survivor Space 或者从Survivor Space 之间复制，计数器会自动增加其值。 默认情况下如果复制发生超过16次，JVM 就会停止复制并把他们移到老年代中去。如果一个对象不能在Eden中被创建，它会直接被创建在老年代中。

        新生代GC(Minor GC)：指发生在新生代的垃圾收集动作，因为 Java 对象大多都具备朝生夕灭的特性，通常很多的对象都活不过一次GC，所以Minor GC 非常频繁，一般回收速度也比较快。
        Minor GC 清理过程(图中标X为垃圾)：
        1.清理之前

        2.清理之后

 
        2.Old/Tenured Generation 老年代
        老年代用于存放程序中经过几次垃圾回收后还存活的对象，例如缓存的对象等，老年代所占用的内存大小即为-Xmx 与-Xmn 两个参数之差。
        堆是JVM 中所有线程共享的，因此在其上进行对象内存的分配均需要进行加锁，这也导致了new 对象的开销是比较大的，鉴于这样的原因，Hotspot JVM 为了提升对象内存分配的效率，对于所创建的线程都会分配一块独立的空间，这块空间又称为TLAB（Thread Local Allocation Buffer），其大小由JVM 根据运行的情况计算而得，在TLAB 上分配对象时不需要加锁，因此JVM 在给线程的对象分配内存时会尽量的在TLAB 上分配，在这种情况下JVM 中分配对象内存的性能和C 基本是一样高效的，但如果对象过大的话则仍然是直接使用堆空间分配，TLAB 仅作用于新生代的Eden，因此在编写Java 程序时，通常多个小的对象比大的对象分配起来更加高效，但这种方法同时也带来了两个问题，一是空间的浪费，二是对象内存的回收上仍然没法做到像Stack 那么高效，同时也会增加回收时的资源的消耗，可通过在启动参数上增加 -XX:+PrintTLAB来查看TLAB 这块的使用情况。

        老年代GC(Major GC/Full GC)：指发生在老年代的GC，出现了Major GC，通常会伴随至少一次Minor GC（但也并非绝对，在ParallelScavenge 收集器的收集策略里则可选择直接进行Major GC）。MajorGC 的速度一般会比Minor GC 慢10倍以上。

        虚拟机给每个对象定义了一个对象年龄(age)计数器。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 岁，当它的年龄增加到一定程度（默认为 15 岁）时，就会被晋升到老年代中。对象晋升老年代的年龄阈值，可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。

        当一个Object被创建后，内存申请过程如下：
        1.JVM 会试图为相关Java 对象在Eden 中初始化一块内存区域。
        2.当Eden 空间足够时，内存申请结束。否则进入第三步。
        3.JVM 试图释放在Eden 中所有不活跃的对象（这属于1或更高级的垃圾回收）, 释放后若Eden 空间仍然不足以放入新对象，则试图将部分Eden 中活跃对象放入Survivor 区。
        4.Survivor 区被用来作为新生代与老年代的缓冲区域，当老年代空间足够时，Survivor 区的对象会被移到老年代，否则会被保留在Survivor 区。
        5.当老年代空间不够时，JVM 会在老年代进行0级的完全垃圾收集(Major GC/Full GC)。
        6.Major GC/Full G后，若Survivor 及老年代仍然无法存放从Eden 复制过来的部分对象，导致JVM 无法在Eden 区为新对象创建内存区域，JVM 此时就会抛出内存不足的异常。

        通过jvmstat 可以清晰的观察出程序中对象的衰老过程：

        jvmstat相关问题可以查看： http://286.iteye.com/blog/1922630

        在32位系统下可以为JVM 分配最大2GB 堆内存大小，64位则没有限制，下列是一些常用与Heap 相关的参数：

        下面就是几种断代法可用GC汇总：

        断代法GC的讲解将在GC 这节进行。