淺談JVM - 內存結構（五）- 堆

5.1 定義

Heap 堆

• 經過new關鍵字，建立對象都會使用堆內存

• 線程共享的，堆中對象都須要考慮線程安全的問題

• 有垃圾回收機制

• Java 堆（Java Heap）是 Java 虛擬機所管理的內存中最大的一塊，也被稱爲 「GC堆」，是被全部線程共享的一塊內存區域，在虛擬機啓動時被建立。

• 惟一目的就是儲存對象實例和數組（JDK7 已把字符串常量池和類靜態變量移動到 Java 堆），幾乎全部的對象實例都會存儲在堆中分配。隨着 JIT 編譯器發展，逃逸分析、棧上分配、標量替換等優化技術致使並非全部對象都會在堆上分配。

• Java 堆是垃圾收集器管理的主要區域。堆內存分爲新生代 (Young) 和老年代 (Old) ，新生代 (Young) 又被劃分爲三個區域：Eden、From Survivor、To Survivor。

5.2 堆內存溢出

若是 Java 堆嘗試擴展內存的時候沒法申請到足夠的內存，那 Java 虛擬機將拋出一個 OutOfMemoryError 異常。

問題：既然有垃圾回收機制，爲什麼還會出現堆內存溢出的狀況呢？

解答：垃圾回收機制是回收不被使用的對象，當對象被引用或間接引用時，就不會被垃圾回收，致使內存佔用愈來愈大，從而出現內存溢出。

示例代碼

/**
 * -Xmx8m  調整堆內存最大爲8m
 */
public class Demo {

    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        try {
            List<Object> list = new ArrayList<>();
            String a = "hello";
            while (true) {
                list.add(a);
                a = a + a;
                i++;
            }
        } catch (Throwable e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.println(i);
        }
    }

}

輸出

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3332)
    at java.lang.AbstractStringBuilder.ensureCapacityInternal(AbstractStringBuilder.java:124)
    at java.lang.AbstractStringBuilder.append(AbstractStringBuilder.java:448)
    at java.lang.StringBuilder.append(StringBuilder.java:136)
    at com.loksail.learndemo.Demo.main(Demo.java:18)
17

經過調整最大堆內存爲8m，list在添加到第18個元素時，就出現了內存溢出，主要緣由是程序中list集合一直處於使用中，且不斷建立的String對象一樣被list集合引用，從而沒法被垃圾回收，致使list集合所佔內存愈來愈大及String對象愈來愈多，從而拋出OutOfMemoryError異常。

5.3 堆內存診斷

5.3.1 jps工具

查看當前系統中有哪些java進程

[root@iZwz9d10hr1juhw84f6r31Z ~]# jps
1237 AgentDaemon
27773 es-yxfbp-main-1.0.0.jar
2974 Jps

5.3.2 jmap工具

• 查看當前堆內存佔用狀況

  jmap -heap 進程id

  示例代碼

  public class Demo {
  
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("1...........");
        Thread.sleep(20000L);
        byte[] bytes = new byte[1024 * 1024 * 10];  //10m
        System.out.println("2...........");
        Thread.sleep(10000L);
        bytes = null;
        System.gc();
        System.out.println("3...........");
        Thread.sleep(100000000L);
    }
  
  }

  查看當前進程號

  D:\JWF\Gitee\learn-demo\src\main\java\com\loksail\learndemo>jps
  15380 Demo
  12840 Launcher
  17000 Jps
  3928
  10012 Launcher

  當打印1………..後的內存輸出

  D:\JWF\Gitee\learn-demo\src\main\java\com\loksail\learndemo>jmap -heap 15380
  Attaching to process ID 15380, please wait...
  Debugger attached successfully.
  Server compiler detected.
  JVM version is 25.221-b11
  
  using thread-local object allocation.
  Parallel GC with 4 thread(s)
  
  Heap Configuration:
   MinHeapFreeRatio         = 0
   MaxHeapFreeRatio         = 100
   MaxHeapSize              = 4261412864 (4064.0MB)
   NewSize                  = 88604672 (84.5MB)
   MaxNewSize               = 1420296192 (1354.5MB)
   OldSize                  = 177733632 (169.5MB)
   NewRatio                 = 2
   SurvivorRatio            = 8
   MetaspaceSize            = 21807104 (20.796875MB)
   CompressedClassSpaceSize = 1073741824 (1024.0MB)
   MaxMetaspaceSize         = 17592186044415 MB
   G1HeapRegionSize         = 0 (0.0MB)
  
  Heap Usage:
  PS Young Generation
  Eden Space:
   capacity = 66584576 (63.5MB)
   used     = 6658584 (6.350120544433594MB)
   free     = 59925992 (57.149879455566406MB)
   10.00018983375369% used
  From Space:
   capacity = 11010048 (10.5MB)
   used     = 0 (0.0MB)
   free     = 11010048 (10.5MB)
   0.0% used
  To Space:
   capacity = 11010048 (10.5MB)
   used     = 0 (0.0MB)
   free     = 11010048 (10.5MB)
   0.0% used
  PS Old Generation
   capacity = 177733632 (169.5MB)
   used     = 0 (0.0MB)
   free     = 177733632 (169.5MB)
   0.0% used
  
  3170 interned Strings occupying 260168 bytes.

  當打印2………..後的內存輸出

  D:\JWF\Gitee\learn-demo\src\main\java\com\loksail\learndemo>jmap -heap 15380
  Attaching to process ID 15380, please wait...
  Debugger attached successfully.
  Server compiler detected.
  JVM version is 25.221-b11
  
  using thread-local object allocation.
  Parallel GC with 4 thread(s)
  
  Heap Configuration:
   MinHeapFreeRatio         = 0
   MaxHeapFreeRatio         = 100
   MaxHeapSize              = 4261412864 (4064.0MB)
   NewSize                  = 88604672 (84.5MB)
   MaxNewSize               = 1420296192 (1354.5MB)
   OldSize                  = 177733632 (169.5MB)
   NewRatio                 = 2
   SurvivorRatio            = 8
   MetaspaceSize            = 21807104 (20.796875MB)
   CompressedClassSpaceSize = 1073741824 (1024.0MB)
   MaxMetaspaceSize         = 17592186044415 MB
   G1HeapRegionSize         = 0 (0.0MB)
  
  Heap Usage:
  PS Young Generation
  Eden Space:
   capacity = 66584576 (63.5MB)
   used     = 17144360 (16.350135803222656MB)
   free     = 49440216 (47.149864196777344MB)
   25.748245359405757% used
  From Space:
   capacity = 11010048 (10.5MB)
   used     = 0 (0.0MB)
   free     = 11010048 (10.5MB)
   0.0% used
  To Space:
   capacity = 11010048 (10.5MB)
   used     = 0 (0.0MB)
   free     = 11010048 (10.5MB)
   0.0% used
  PS Old Generation
   capacity = 177733632 (169.5MB)
   used     = 0 (0.0MB)
   free     = 177733632 (169.5MB)
   0.0% used
  
  3171 interned Strings occupying 260232 bytes.

  當打印3………..後的內存輸出

  D:\JWF\Gitee\learn-demo\src\main\java\com\loksail\learndemo>jmap -heap 15380
  Attaching to process ID 15380, please wait...
  Debugger attached successfully.
  Server compiler detected.
  JVM version is 25.221-b11
  
  using thread-local object allocation.
  Parallel GC with 4 thread(s)
  
  Heap Configuration:
   MinHeapFreeRatio         = 0
   MaxHeapFreeRatio         = 100
   MaxHeapSize              = 4261412864 (4064.0MB)
   NewSize                  = 88604672 (84.5MB)
   MaxNewSize               = 1420296192 (1354.5MB)
   OldSize                  = 177733632 (169.5MB)
   NewRatio                 = 2
   SurvivorRatio            = 8
   MetaspaceSize            = 21807104 (20.796875MB)
   CompressedClassSpaceSize = 1073741824 (1024.0MB)
   MaxMetaspaceSize         = 17592186044415 MB
   G1HeapRegionSize         = 0 (0.0MB)
  
  Heap Usage:
  PS Young Generation
  Eden Space:
   capacity = 66584576 (63.5MB)
   used     = 1331712 (1.27001953125MB)
   free     = 65252864 (62.22998046875MB)
   2.0000307578740157% used
  From Space:
   capacity = 11010048 (10.5MB)
   used     = 0 (0.0MB)
   free     = 11010048 (10.5MB)
   0.0% used
  To Space:
   capacity = 11010048 (10.5MB)
   used     = 0 (0.0MB)
   free     = 11010048 (10.5MB)
   0.0% used
  PS Old Generation
   capacity = 177733632 (169.5MB)
   used     = 1083488 (1.033294677734375MB)
   free     = 176650144 (168.46670532226562MB)
   0.6096133791943216% used
  
  3157 interned Strings occupying 259256 bytes.

  分析

  在輸出的內存信息中，Heap Configuration爲程序的堆設置，Heap Usage爲堆使用狀況，咱們最主要關注的是Eden Space的使用狀況

• 在打印1以後，使用的堆內存爲6.350120544433594MB，此時並無對象建立

• 在打印2以後，使用的堆內存爲16.350135803222656MB，多增長10M左右是由於代碼中建立了10M的byte數組

• 在打印3以後，使用的堆內存爲1.27001953125MB，由於此時byte數組置爲空，對應的對象空間再也不使用，此時調用垃圾回收將會回收這部份內存，從而使堆內存的使用降低。

• 生成堆內存轉儲快照

  jmap -dump:format=b,file=文件名稱 進程號
  如：jmap -dump:format=b,file=D://demo.hprof 13777

  將堆內存dump下來後，使用jvisualvm加載文件，一樣能夠分析堆內存佔用狀況

5.3.3 jconsole工具

jconsole

執行以前的Demo程序，經過jconsole能夠明顯觀察到堆內存的變化，同時jconsole能夠觀察線程及CPU的相關信息，也可手動進行垃圾回收。

5.3.4 jvisualvm工具

jvisualvm

此工具與jconsole功能類似，可是其可經過堆dump來查看堆內存的具體佔用狀況

示例代碼

public class Demo {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        List<Student> students = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            students.add(new Student());
        }
        Thread.sleep(100000000);
    }

    static class Student {
        private byte[] bytes = new byte[1024 * 1024];;
    }

}

經過jvisualvm可看到當前堆內存信息，堆內存佔用229m左右

點擊執行垃圾回收後，堆內存佔用218m左右

能夠看到堆內存佔用並無減小多少，若是不分析代碼，如何來分析堆內存的具體佔用信息呢？

使用jvisualvm的堆dump

經過右側的查看大小最大的對象能夠看到，ArrayList對象佔用堆內存最大，點擊查看

能夠看到，ArrayList對象佔用了200m左右的內存，其size爲200，集合中元素爲Student對象，大小爲1m，主要是byte數組佔用了1m。也就是存儲了200個Student對象的list集合佔用了200m的堆內存，再結合代碼分析可知，因爲ArrayList對象仍在方法的做用域中，仍被虛擬機棧的局部變量表引用，從而不會被垃圾回收，從而致使堆內存佔用不會降低。

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