JVM 堆內存

1. 前言

本節主要講解運行時數據區的堆內存。本節主要知識點如下：

• 掌握堆內存空間結構圖，從總體層面認識堆內存，為本節重點內容之一；
• 了解 JVM 堆空間的基本概念，為本節的基礎知識點；
• 了解堆內存的分代概念，年輕代，eden區，from/to，幸存者及老年代，為本節核心知識點，后續對垃圾回收講解時，大部分的回收都是發生在堆內存中，掌握分代概念是學習垃圾回收機制的必要前提。

2. 堆內存結構

堆內存是運行時數據區中非常重要的結構，實例對象會存放于堆內存中。在后續小節中，我們講解 GC 垃圾回收器，絕大多數的垃圾回收都發生在堆內存中，因此對于 JVM 來說，堆內存占據著十分重要的且不可替代的位置。

我們先來看下堆內存的結構圖，初步了解堆內存的整體內存劃分。

從上圖可以看到如下幾個要點：

• 堆內存從結構上來說分為年輕代（YoungGen）和老年代（OldGen）兩部分；
• 年輕代（YoungGen）又可以分為生成區（Eden）和幸存者區（Survivor）兩部分；
• 幸存者區（Survivor）又可細分為 S0區（from space）和 S1區 (to space)兩部分。

從圖中，我們能夠大體了解堆內存的結構劃分，后文在講解分代概念時，我們會提供更加直觀，更加清晰的內存結構圖。

3. 什么是堆內存

物理層面：從物理層面（硬件層面）來說，當 Java 程序開始運行時，JVM 會從操作系統獲取一些內存。JVM 使用這些內存，這些內存的一部分就是堆內存。

Java層面：從開發層面來說，堆內存通常在存儲地址的底層，向上排列。當一個對象通過 new 關鍵字或通過其他方式創建后，對象從堆中獲得內存。當對象不再使用了，被當做垃圾回收掉后，這些內存又重新回到堆內存中。

總結來說，堆內存是JVM啟動時，從操作系統獲取的一片內存空間，他主要用于存放實例對象本身，創建完成的對象會放置到堆內存中。

4. 堆內存的分代概念

從上文堆內存的結構圖中，我們看到了比較多的JVM堆內存中的專有名詞，比如：年輕代，老年代。那么對于堆內存來說，分代是什么意思呢？為什么要進行分代呢？

分代：將堆內存從概念層面進行模塊劃分，總體分為兩大部分，年輕代和老年代。從物理層面將堆內存進行內存容量劃分，一部分分給年輕代，一部分分給老年代。這就是我們所說的分代。

分代的意義：易于堆內存分類管理，易于垃圾回收。類似于我們經常使用的 Windows 操作系統，我們會將物理磁盤劃出一部分存儲空間作為用戶系統安裝盤（如 C 盤），我們還極大可能將剩余的磁盤空間劃分為 C, D, E 等磁盤，用于存儲同一類型的數據。

• 易于管理：對于堆空間的分代也是如此，比如新創建的對象會進入年輕代（YoungGen）的生成區（Eden），生命周期未結束的且可達的對象，在經歷多次垃圾回收之后，會存放入老年代（OldGen），這就是分類管理；

• 易于垃圾回收：將對象根據存活概率進行分類，對存活時間長的對象，放到固定區，從而減少掃描垃圾時間及 GC 頻率。針對分類進行不同的垃圾回收算法，對算法揚長避短。

Tips：關于上文提到的垃圾回收部分的知識，我們會在后邊的章節做專門的、詳細的講解，此處我們先做了解即可。

5. 堆內存結構詳解

講解完分代的概念，我們來對堆內存中的不同的代，不同的內存空間的作用進行更加詳細的講解。講解之前，我們來看下如下示意圖，更加直觀的了解堆內存結構。

堆內存每個模塊之間的關系及各自的特點概述如下：

• JVM 內存劃分為堆內存和非堆內存，堆內存分為年輕代（YoungGen）、老年代（OldGen）；
• 年輕代又分為 Eden 和 Survivor 區。Survivor 區由 FromSpace 和 ToSpace 組成。Eden 區占大容量，Survivor 兩個區占小容量，默認比例是 8:1:1；
• 堆內存存放的是對象，垃圾收集器就是收集這些對象，然后根據 GC 算法回收；
• 新生成的對象首先放到年輕代 Eden 區，當 Eden 空間滿了，觸發 Minor GC，存活下來的對象移動到Survivor0 區，Survivor0 區滿后觸發執行 Minor GC，Survivor0 區存活對象移動到 Suvivor1 區，這樣保證了一段時間內總有一個 survivor 區為空。經過多次 Minor GC 仍然存活的對象移動到老年代；
• 老年代存儲長期存活的對象，GC 期間會停止所有線程等待 GC 完成，所以對響應要求高的應用盡量減少發生 Major GC，避免響應超時。

Tips：關于上文提到的垃圾回收部分的知識，我們會在后邊的章節做專門的、詳細的講解，此處我們主要關注在堆內存的每個模塊的概念，特點及作用。對于垃圾回收部分的知識，我們后續再進行學習。

6. 小結

本節主要講解了運行時數據區里邊的堆內存，堆內存是一塊共享內存區域，在運行時數據區占據著十分重要的位置。我們了解了堆內存里的分代概念，并從示意圖中直觀的感受了堆內存的結構。我們了解了堆內存中不同內存空間模塊的作用、特點及意義。這都是非常重要的知識點。

由于垃圾回收絕大多數都是發生在堆內存中，因此在課程講解的過程中，多少會涉及到垃圾回收的一些概念，此處如果不能理解的學習者，可以在學習完垃圾回收器后再次理解目前不能夠掌握的知識。