07、JVM 实战 - 对象内存分配与回收,垃圾收集过程
一、概述
java技术体系中所提倡的自动内存管理最终可以归结为自动化地解决了两个问题：给对象分配内存以及回收分配给对象的内存。
回收主要是上文介绍的GC，分配的如下。
对象的内存分配，往大方向讲，就是在对上分配（也有可能经过JIT编译后被拆散为标量类型并间接地在栈上分配），对象主要分配在新生代的Eden区上，如果启动了本地线程分配缓冲，将按线程优先在TLAB上分配。少数情况下也可能直接在老年代中，分配的规则并不是百分之百固定的，其细节取决于当前使用的是哪一种垃圾收集器组合，还有虚拟机与内存相关参数的配置。
1.1、图解
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，Eden : 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。
JVM堆内存分为2块：Permanent Space 和 Heap Space。
- Permanent 即 持久代（Permanent Generation），主要存放的是Java类定义信息，与垃圾收集器要收集的Java对象关系不大。
- Heap = { Old + NEW = {Eden, from, to} }，Old 即 年老代（Old Generation），New 即 年轻代（Young Generation）。年老代和年轻代的划分对垃圾收集影响比较大。
1.2、为什么会有年轻代
分代的唯一理由就是优化GC性能。如果没有分代，那所有的对象都在一块，GC的时候要找到哪些对象没用，这样就会对堆的所有区域进行扫描。而我们的很多对象都是朝生夕死的，如果分代的话，我们把新创建的对象放到某一地方，当GC的时候先把这块存“朝生夕死”对象的区域进行回收，这样就会腾出很大的空间出来。
1.3、对象分配过程
1》 对象优先在Eden上分配
大多数情况下，对象优先在新生代Eden区域中分配。当Eden内存区域没有足够的空间进行分配时，虚拟机将触发一次 Minor GC(新生代GC)。Minor GC期间虚拟机将Eden区域的对象移动到其中一块Survivor区域。
年轻代中的对象基本都是朝生夕死的(80%以上)，所以在年轻代的垃圾回收算法使用的是复制算法，复制算法的基本思想就是将内存分为两块，每次只用其中一块，当这一块内存用完，就将还活着的对象复制到另外一块上面。复制算法不会产生内存碎片。
在GC开始的时候，对象只会存在于Eden区和名为“From”的Survivor区，Survivor区“To”是空的。紧接着进行GC，Eden区中所有存活的对象都会被复制到“To”，而在“From”区中，仍存活的对象会根据他们的年龄值来决定去向。年龄达到一定值(年龄阈值，可以通过-XX:MaxTenuringThreshold来设置)的对象会被移动到年老代中，没有达到阈值的对象会被复制到“To”区域。经过这次GC后，Eden区和From区已经被清空。这个时候，“From”和“To”会交换他们的角色，也就是新的“To”就是上次GC前的“From”，新的“From”就是上次GC前的“To”。不管怎样，都会保证名为To的Survivor区域是空的。Minor GC会一直重复这样的过程，直到“To”区被填满，“To”区被填满之后，会将所有对象移动到年老代中。
2》大对象直接进入老年代
所谓大对象是指需要大量连续空间的对象。如长字符串以及数组。虚拟机提供了一个XX:PretenureSizeThreshold参数，令大于这个值的对象直接在老年代中分配。
3》长期存活的对象将进入老年代
虚拟机采用分代收集的思想管理内存，那内存回收时就必须能识别那些对象该放到新生代，那些该到老年代中。为了做到这点，虚拟机为每个对象定义了一个对象年龄Age，每经过一次新生代GC后任然存活，将对象的年龄Age增加1岁，当年龄到一定程度（默认为15）时，将会被晋升到老年代中，对象晋升老年代的年龄限定值，可通过-XX:MaxTenuringThreshold来设置。
4》动态对象年龄判定
为了能更好地适应不同程序的内存状况，虚拟机并不是永远地要求对象的年龄必须达到了MaxTenuringThreshold才能晋升老年代，如果在Survivor空间中相同年龄所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象直接进入老年代，无需等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄。
5》空间分配担保
在发生Minor GC之前，虚拟机会先检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象总空间，如果这个条件成立，那么Minor GC确保是安全的。如果不成立，则虚拟机会查看HandlePromotionFailuer设置值是否允许担保失败。如果允许，那么会继续检查老年代最大可用的连续空间是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小，如果大于，将尝试着进行一次Minor GC，尽管这次是有风险的；如果小于，或者HandlePromotionFailure设置不允许冒险，那这时也要改为进行一次Full GC。
冒险，主要是新生代使用复制手机算法，但为了内存利用率，只是使用了其中一个Survivor空间来作为轮换备份，因此当出现大量对象在Minor GC后仍然存活的情况（最极端的情况就是内存回收后新生代中所有的对象都存活），就需要老年代进行分配担保，把Survivor无法容纳的对象直接进入老年代。
取平均值进行比较其实仍然是一种动态概率的手段，也就是说，如果某次Minor GC存活后的对象突增，远远高于平均值的话，依然会担保失败。如果出现了HandlePromotionFailure失败，那就只好在失败后重新发起一次FullGC，虽然担保失败时绕的圈子是在最大的，但大部分情况下还是会将HandlePromotionFailure开关打开，避免FUll GC 过于频繁。
1.4、Minor GC 和Full GC区别
新生代GC(Minor GC)：指发生在新生代的垃圾收集动作，因为对象大多都具备朝生夕灭特性，所以Minor GC非常频繁，回收速度也比较快。
老年代GC(Major GC / Full GC)：指发生在老年代中的GC，出现Major GC后，经常会伴随至少一次的 Minor GC。Major GC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上。
1.5、有关年轻代的JVM参数
1)-XX:NewSize和-XX:MaxNewSize
用于设置年轻代的大小，建议设为整个堆大小的1/3或者1/4,两个值设为一样大。
2)-XX:SurvivorRatio
用于设置Eden和其中一个Survivor的比值，这个值也比较重要。
3)-XX:+PrintTenuringDistribution
这个参数用于显示每次Minor GC时Survivor区中各个年龄段的对象的大小。
4).-XX:InitialTenuringThreshol和-XX:MaxTenuringThreshold
用于设置晋升到老年代的对象年龄的最小值和最大值，每个对象在坚持过一次Minor GC之后，年龄就加1。
5)、-Xmn，-XX:NewSize/-XX:MaxNewSize，-XX:NewRatio 3组参数都可以影响年轻代的大小，混合使用的情况下，优先级是什么？
如下：
1、 高优先级：-XX:NewSize/-XX:MaxNewSize；
2、 中优先级：-Xmn（默认等效-Xmn=-XX:NewSize=-XX:MaxNewSize=?）；
3、 低优先级：-XX:NewRatio；
推荐使用-Xmn参数，原因是这个参数简洁，相当于一次设定 NewSize/MaxNewSIze，而且两者相等，适用于生产环境。-Xmn 配合 -Xms/-Xmx，即可将堆内存布局完成。
-Xmn参数是在JDK 1.4 开始支持。