堆内存：Java程序中的“宝藏”，你知道它藏了什么吗？

作者：知其然亦知其所以然 2023-05-10 11:16:01

云计算

虚拟化 本文详细介绍了Java虚拟机中堆内存的划分和回收算法。堆内存是Java虚拟机中用于存放对象的一块内存区域，Java程序中所有new出来的对象都会被存放在堆内存中。为了更加高效地利用内存资源，Java虚拟机将堆内存划分为新生代和老年代，并针对不同的内存区域采用不同的垃圾回收算法。

大家好，我是小米，一个热爱技术分享的程序员。今天我想和大家一起聊一聊Java堆内存的划分以及回收算法。

什么是堆内存

• 含义：是Java虚拟机管理的一块内存区域，用来存放对象实例。Java中所有的对象实例都在堆内存中进行分配和回收。
• 价值：堆内存可以动态地分配内存空间，为程序提供了灵活的数据存储方式。同时，由于Java虚拟机的自动垃圾回收机制，堆内存也为我们提供了更加方便和安全的内存管理方式。
• 存储数据：主要包括各种Java对象和数组等。在Java中，通过new关键字可以在堆内存中分配新的对象实例。
• 相关命令：设置堆内存大小的命令是-Xmx，比如我们可以通过命令java -Xmx512m，将堆内存的大小设置为512MB。

堆内存如何划分空间

Java堆内存可以根据年龄和大小等因素进行划分。根据年龄，Java堆内存可以分为新生代和老年代两部分。

新生代中又可以分为Eden区、Survivor区From和Survivor区To三部分。其中，Eden区用于存储新生成的对象，Survivor区From和Survivor区To则用于存储在Eden区中存活下来的对象。

默认情况下，新生代和老年代的比例是1:2，即新生代占整个Java堆内存的1/3，老年代占2/3。而在新生代中，Eden区和Survivor区的比例是8:1:1，即Eden区占整个新生代的80%，Survivor区From和Survivor区To各占整个新生代的10%。

这两个比例的设置是为了兼顾新生代和老年代的内存使用情况。如果新生代的比例过小，可能会导致频繁进行垃圾回收，而老年代的比例过大则可能会导致内存浪费。

我们可以通过设置-Xmn命令来调整新生代的大小，通过-XX:NewRatio命令来调整新生代和老年代的比例。

为什么永久代被移除

在JDK1.8之前，Java虚拟机中使用永久代来存放一些静态数据和类信息等。但是由于永久代的内存使用和垃圾回收效率都不太理想，因此在JDK1.8中，永久代被移除了，并由元空间（Metaspace）来替代。

元空间是Java虚拟机中存放类元数据（Class Metadata）的区域，包括类的结构信息、字段、方法信息等。元空间的大小可以动态地进行调整，当需要存储更多的类元数据时，元空间可以自动扩容。

相比于永久代，元空间的内存使用和垃圾回收效率都有了较大的提升。同时，由于元空间不再受到永久代大小的限制，因此可以更好地适应不同的应用场景。

设置元空间大小的命令是-XX:MaxMetaspaceSize。

标记-清除算法（Mark-Sweep）

Java堆内存中的对象实例是动态分配和回收的，Java虚拟机提供了多种不同的内存回收算法来满足不同的内存管理需求。

标记-清除算法是最基础的一种内存回收算法。其主要流程如下：

• 标记所有活跃对象。
• 清除所有未被标记的对象。

这种算法的缺点是会产生内存碎片，导致内存利用率降低。

复制算法（Copying）

复制算法是将内存分为两部分，每次只使用其中一部分。当这部分内存用完后，将其中的活跃对象复制到另一部分中，然后清除这部分内存。

复制算法的优点是可以避免内存碎片，缺点是需要消耗额外的内存空间。

复制算法主要用于新生代内存回收。

标记-整理算法（Mark-Compact）

标记-整理算法是将内存分为两部分，一部分存储活跃对象，另一部分为未使用的内存空间。当内存空间不足时，先进行标记活跃对象，然后将活跃对象整理到未使用的内存空间中，最后清除未使用的内存空间。

标记-整理算法可以避免内存碎片，但其缺点是需要移动内存中的对象，因此效率较低。

标记-整理算法主要用于老年代内存回收。

分代回收算法

分代回收算法是根据对象的生命周期将内存分为不同的代，每个代使用不同的内存回收算法。

新生代中一般使用复制算法，由于新生代中大部分对象的生命周期很短，因此这种算法的效率较高。而老年代中一般使用标记-整理算法，由于老年代中存储的对象生命周期较长，因此算法能够有效地减少垃圾回收的次数，提高Java应用的性能。

G1算法

G1算法是一种面向服务端应用的垃圾回收算法。它将堆内存划分为多个大小相等的区域（Region），每个区域既可以是新生代也可以是老年代。G1算法会根据应用程序的内存使用情况动态地调整各个区域的大小。

在G1算法中，垃圾回收器不再按照新生代和老年代的划分进行垃圾回收，而是将整个堆空间一起考虑。G1算法使用了类似分代回收算法的思想，将堆空间分为多个区域，每个区域的回收策略可以不同，这样就能够更加灵活地进行内存回收。

G1算法的优点是能够在保证垃圾回收效率的同时，避免了内存碎片的问题。同时，由于G1算法能够动态调整各个区域的大小，因此可以更好地适应不同的应用场景。

综上所述，Java虚拟机提供了多种不同的内存回收算法，每种算法都有其优缺点和适用场景。在实际应用中，需要根据具体的应用场景来选择合适的垃圾回收算法，以便最大化地利用内存资源，提高应用程序的性能。

总结

本文详细介绍了Java虚拟机中堆内存的划分和回收算法。堆内存是Java虚拟机中用于存放对象的一块内存区域，Java程序中所有new出来的对象都会被存放在堆内存中。为了更加高效地利用内存资源，Java虚拟机将堆内存划分为新生代和老年代，并针对不同的内存区域采用不同的垃圾回收算法。

新生代中的垃圾回收算法主要有Serial、ParNew和G1算法。Serial算法是最基础的垃圾回收算法，采用单线程进行垃圾回收。ParNew算法是Serial算法的多线程版本，在多核CPU上能够更好地利用硬件资源，提高垃圾回收效率。G1算法是一种面向服务端应用的垃圾回收算法，能够更好地适应不同的应用场景。

老年代中的垃圾回收算法主要有CMS和G1算法。CMS算法是一种基于标记-清除算法的垃圾回收算法，采用多线程进行垃圾回收，但存在碎片问题。G1算法则是一种更加灵活的垃圾回收算法，能够避免内存碎片的问题。

在实际应用中，需要根据具体的应用场景来选择合适的垃圾回收算法。同时，需要注意垃圾回收会对应用程序的性能产生影响，过度频繁的垃圾回收可能会导致应用程序的性能下降。因此，在设计和开发Java应用程序时，需要根据实际情况来合理设置内存空间的大小和垃圾回收算法的选择，以提高应用程序的性能和稳定性。