JVM堆空间的使用和优化

一、堆内存整体结构与核心作用

堆内存是 JVM 在启动时创建的内存区域，唯一作用是存放对象实例，是垃圾收集器（GC）管理的核心区域。

从逻辑上，堆内存分为 年轻代（Young Generation） 和 老年代（Old Generation/Tenured Generation） 两大部分，两者默认比例为 1:2，可通过参数 -XX:NewRatio 调整（如 -XX:NewRatio=2 即强制年轻代：老年代 = 1:2）。

二、年轻代（Young Generation）

年轻代用于存储新创建的对象 ，其特点是 GC 频率高（Minor GC/Young GC）、对象存活率低（大部分对象会被快速回收）。

年轻代内部又细分为 1 个 Eden 区 和 2 个大小相等的 Survivor 区（From Survivor、To Survivor） ，默认空间比例为 8:1:1，可通过参数 -XX:SurvivorRatio=8 调整。

2.1 各区域核心功能

Eden 区
- 新对象优先在 Eden 区分配内存，是对象的 "诞生地"。
- 大对象可绕过 Eden 区直接进入老年代，阈值由参数 -XX:PretenureSizeThreshold 控制。
- 当 Eden 区空间满时，会触发Minor GC。
Survivor 区（From Survivor + To Survivor）
- 两个 Survivor 区始终有一个为空，交替使用，核心作用是通过复制算法避免内存碎片。
- Minor GC 时，JVM 会将 Eden 区和当前非空的 From Survivor 区 中存活的对象，复制到空的 To Survivor 区。
- 每个存活对象会被分配一个年龄计数器 ，每次经历 Minor GC 并存活后，计数器值 +1。

2.2 年轻代对象晋升老年代的机制

当满足以下任一条件时，年轻代的对象会晋升至老年代：

对象年龄计数器达到阈值（默认 15，可通过 -XX:MaxTenuringThreshold 调整）；
Survivor 区中，相同年龄的对象总大小超过该区空间的一半，年龄≥该值的所有对象会直接晋升；
To Survivor 区空间不足，无法容纳 Minor GC 后存活的对象，剩余对象会直接晋升。

2.3 Survivor 区交替工作流程

初始状态 ：Eden 区满触发 Minor GC，Eden + From Survivor 的存活对象复制到 To Survivor，对象年龄 +1；
角色切换：GC 完成后，From Survivor 变为空，To Survivor 存储存活对象；下一次 Minor GC 时，两者角色互换（From 变 To，To 变 From）；
核心价值：通过复制算法让存活对象连续存储，彻底避免内存碎片；交替使用的设计无需额外空间存储全部存活对象，提升内存利用率。

三、老年代（Old Generation）

老年代用于存储存活时间较长的对象 （如缓存对象、单例对象），其特点是 GC 频率低（Major GC/Full GC）、对象存活率高。

3.1 对象进入老年代的场景

年轻代对象年龄达到晋升阈值；
Survivor 区同年龄对象占比过半触发的批量晋升；
大对象直接进入老年代；
Minor GC 后，Survivor 区空间不足导致的强制晋升。

3.2 老年代 GC 特点

老年代 GC 通常采用标记 - 整理算法，在回收垃圾的同时整理内存碎片，保证存活对象连续存储。
老年代 GC（Major GC）通常伴随 Full GC，会同时回收年轻代和老年代，STW（停止用户线程）时间较长，对应用性能影响较大。

四、线程本地分配缓存（TLAB）

TLAB 是 JVM 为每个线程 在新生代 Eden 区分配的私有缓存区域 ，核心目标是 减少多线程并发分配对象时的锁竞争。

4.1 底层实现机制

JVM 启动时，为每个线程预分配一块 Eden 区的连续内存作为 TLAB，默认大小为 Eden 区的 1%，可通过 -XX:TLABSize 手动调整。
线程创建对象时，优先在自己的 TLAB 内分配内存，仅需修改线程本地的指针，无锁操作，效率极高。
只有当 TLAB 空间不足时，线程才会去 Eden 区的共享区域分配内存，此时需要通过 CAS 操作或加锁保证线程安全。

4.2 TLAB 空间不足的处理流程

尝试扩容 TLAB：若 Eden 区剩余空间充足，JVM 会为当前线程扩容 TLAB，继续私有分配；
共享区域分配：若无法扩容，新对象直接在 Eden 区共享区域通过 CAS 操作分配内存；
触发 Minor GC：若 Eden 区共享区域也满，则触发 Minor GC，回收垃圾后再尝试分配；
晋升老年代：若 Minor GC 后仍无法分配（如对象过大），则将对象直接晋升至老年代；若老年代也无空间，触发 Full GC。

4.3 对象分配完整流程

复制代码

线程创建对象（new XXX()）
    ↓
检查当前线程的TLAB是否可用
    ↓ 可用
直接在TLAB内分配内存（无锁）→ 初始化对象头/OOP → 完成实例化
    ↓ 不可用（用完/不足）
向Eden区申请新的TLAB（CAS竞争）→ 分配成功则回到内存分配步骤

4.4 TLAB 与面向对象特性的关联

封装性：TLAB 是线程私有区域，内部对象内存物理隔离，外部线程无法直接访问，强化了对象的数据隐藏特性；JVM 严格控制 TLAB 内对象的内存布局（对象头 + 实例数据），保证数据不可被随意篡改。
继承性：子类对象需继承父类字段，实例化时需要更大的内存空间，TLAB 的无锁分配机制大幅提升子类对象的创建效率；TLAB 仅负责对象实例的内存分配，类的继承关系（父类指针）存储在方法区元数据中，两者解耦保证继承体系的灵活性。
多态性：多态的核心是运行时动态调用方法，而 TLAB 保证了高并发下大量子类实例的快速创建，为多态提供了 "实例基础"；不同子类实例的对象头中，类元数据指针指向各自的元数据，JVM 可通过指针快速找到方法表，TLAB 从内存层面提升了动态分派的效率。

五、栈上分配与标量替换

栈上分配是 JVM 的编译期优化技术 ，核心目标是 避免对象分配到堆内存，减少 GC 压力。

5.1 栈上分配的核心条件

对象必须满足 未逃逸 的要求，即对象的作用域仅限于当前方法内部，未满足以下任一逃逸行为：

未被作为返回值返回给调用方；
未被存储到堆中的全局变量（如静态变量、集合）；
未被外部方法引用或传递到其他线程。

同时还需满足：

对象体积较小，避免栈内存溢出；
对象所在方法为热点方法（被频繁调用），优化收益更高。

5.2 标量替换（栈上分配的底层实现）

标量定义 ：标量是指不可再分的基本数据类型（如 int、long）或对象引用，与之相对的 "聚合量" 是指可以拆分为标量的对象。
核心逻辑：若对象未逃逸，且可拆分为标量，JVM 会直接将对象的字段拆分为局部变量，分配到当前线程的虚拟机栈中，而非创建完整的对象实例。
开启条件 ：JDK 8 默认开启逃逸分析（-XX:+DoEscapeAnalysis）和标量替换（-XX:+EliminateAllocations）。