JVM通关指南（六）深入分析JVM的堆内存（附高频面试QA）

JVM堆内存

Java虚拟机(JVM)的堆内存(Heap)是Java程序运行时数据区中最大的一块，被所有线程共享。堆内存主要用于存放对象实例和数组，是垃圾收集器(GC)管理的主要区域。

堆内存特点

• 由JVM启动时创建

• 大小可以固定也可以动态调整

• 物理上可以不连续但逻辑上要连续

• 线程共享，需要考虑线程安全问题

• 自动内存管理(GC)

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堆内存结构

Young Generation (新生代)
├── Eden Space (伊甸园区)
├── Survivor Space 0 (幸存者0区)
└── Survivor Space 1 (幸存者1区)
Old Generation (老年代)
(可选) Permanent Generation / Metaspace (永久代/元空间)

新生代(Young Generation)

• 存放新创建的对象

• 分为Eden区和两个Survivor区(S0, S1)

• 大多数对象在这里被创建和销毁

• 使用复制算法进行垃圾回收(Minor GC)

老年代(Old Generation)

• 存放长期存活的对象

• 从新生代晋升过来的对象

• 使用标记-清除或标记-整理算法进行垃圾回收(Major GC/Full GC)

永久代/元空间(PermGen/Metaspace)

• Java 8之前是永久代(PermGen)

• Java 8及之后是元空间(Metaspace)

• 存储类元数据、方法区信息等

• 不在堆内存中，而是使用本地内存‘

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堆内存相关JVM参数

参数	说明
-Xms	初始堆大小
-Xmx	最大堆大小
-Xmn	新生代大小
-XX:NewRatio	老年代与新生代的比例
-XX:SurvivorRatio	老年代与新生代的比例
-XX:MaxTenuringThreshold	对象晋升老年代的年龄阈值
-XX:+PrintGCDetails	打印GC详细信息
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError	OOM时生成堆转储文件

堆内存代码示例

查看堆内存信息

可以通过以下代码查看设备的最大堆内存、初始堆内存、空闲堆内存：

public class HeapMemoryInfo {
    public static void main(String[] args) {
        // 返回JVM试图使用的最大堆内存量
        long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory();
        // 返回JVM初始堆内存量
        long totalMemory = Runtime.getRuntime().totalMemory();
        // 返回JVM空闲堆内存量
        long freeMemory = Runtime.getRuntime().freeMemory();

        System.out.println("最大堆内存: " + maxMemory / 1024 / 1024 + "MB");
        System.out.println("初始堆内存: " + totalMemory / 1024 / 1024 + "MB");
        System.out.println("空闲堆内存: " + freeMemory / 1024 / 1024 + "MB");
    }
}

运行结果（每个人的结果都可能不一样）：

最大堆内存: 8152MB
初始堆内存: 512MB
空闲堆内存: 507MB

堆内存溢出

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class HeapOOM {
    static class OOMObject {}

    public static void main(String[] args) {
        List<OOMObject> list = new ArrayList<>();
        while (true) {
            list.add(new OOMObject());
        }
    }
}

运行时可添加JVM参数：

-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

对象分配与GC过程

public class ObjectAllocation {
    private static final int _1MB = 1024 * 1024;

    public static void main(String[] args) {
        testAllocation();
    }

    public static void testAllocation() {
        byte[] allocation1, allocation2, allocation3, allocation4;
        allocation1 = new byte[2 * _1MB];
        allocation2 = new byte[2 * _1MB];
        allocation3 = new byte[2 * _1MB];
        allocation4 = new byte[4 * _1MB];  // 出现一次Minor GC
    }
}

运行时可添加JVM参数：

-Xms20m -Xmx20m -Xmn10m -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8

大对象直接进入老年代

public class BigObjectAllocation {
    private static final int _1MB = 1024 * 1024;

    public static void main(String[] args) {
        testPretenureSizeThreshold();
    }

    public static void testPretenureSizeThreshold() {
        byte[] allocation;
        allocation = new byte[8 * _1MB];  // 直接分配在老年代
    }
}

运行时可添加JVM参数：

-Xms20m -Xmx20m -Xmn10m -XX:+PrintGCDetails -XX:PretenureSizeThreshold=3145728

堆内存优化建议

1. 合理设置堆大小：-Xms和-Xmx设置为相同值避免堆伸缩带来的性能损耗

2. 新生代大小：通常为整个堆的1/3到1/4

3. Survivor区比例：-XX:SurvivorRatio=8表示Eden与一个Survivor区的比例为8:1

4. 对象晋升阈值：-XX:MaxTenuringThreshold控制对象晋升老年代的年龄

5. 避免大对象：大对象会直接进入老年代，增加Full GC频率

6. 减少临时对象：减少短生命周期对象的创建

7. 使用对象池：对于频繁创建销毁的对象，考虑使用对象池

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堆内存监控工具

1. jvisualvm：JDK自带的可视化监控工具

2. jconsole：JDK自带的监控和管理控制台

3. jmap：生成堆转储快照

4. jstat：监控JVM统计信息

5. MAT (Memory Analyzer Tool)：分析堆转储文件

6. VisualGC：可视化查看GC过程

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堆内存常见的面试QA

Q：什么是Minor GC和Full GC？

A：

• Minor GC：只清理新生代的垃圾回收，频率较高，速度较快

• Full GC：清理整个堆内存(包括新生代和老年代)的垃圾回收，通常伴随STW(Stop-The-World)，影响较大

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Q：对象是如何从新生代晋升到老年代的？

A：

• 对象在Survivor区每经历一次Minor GC且存活，年龄就增加1

• 当年龄超过阈值(默认15)时晋升到老年代

• 大对象可能直接进入老年代

• Survivor区空间不足时，部分对象可能提前晋升

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Q：什么是内存泄漏？如何排查？

A：

内存泄漏是指对象不再被使用但无法被GC回收的情况。排查方法：

• 使用jstat -gcutil观察GC情况

• 使用jmap -histo查看对象分布

• 使用MAT(Eclipse Memory Analyzer)分析堆转储文件

• 检查集合类、静态集合、未关闭的资源等常见泄漏点