#堆内存（Heap）详解

堆内存是 JVM 内存管理的核心区域，几乎所有的对象实例和数组都在堆上分配。如果把 JVM 比作一座城市，堆就是这座城市的主城区——人口最密集、故事最多、问题也最集中。

大多数性能问题都与堆内存直接或间接相关：对象分配过快导致 Minor GC 频繁、新生代空间不足导致对象频繁晋升、老年代空间不足导致 Full GC……理解堆内存的结构，是理解 GC 的第一步。

#堆内存分代结构

现代 JVM 的堆内存采用分代设计，将堆划分为新生代和老年代两个大区。这种设计建立在两个经验法则之上：

• 弱分代假说：大多数对象是朝生夕灭的
• 强分代假说：熬过多次 GC 的对象很少会死亡

flowchart TB
    subgraph 堆内存["堆内存（Heap）"]
        subgraph 新生代["新生代（Young Generation）- 1/3"]
            Eden["Eden 区\n8/10"]
            S0["Survivor S0\nFrom\n1/10"]
            S1["Survivor S1\nTo\n1/10"]
        end
        subgraph 老年代["老年代（Old Generation）- 2/3"]
            Old["老年代\nOld Generation"]
        end
    end
    Eden --> S0
    Eden --> S1
    S0 <--> S1
    S0 --> Old
    S1 --> Old

#新生代详解

新生代占据堆内存的约 1/3，进一步划分为 Eden 区和两个 Survivor 区。HotSpot 默认的 Eden : Survivor = 8 : 1，意味着每次 Minor GC 后，大约 90% 的新生代空间是可用的（只有 Survivor 区会被浪费）。

#Eden 区

新创建的对象首先分配在 Eden 区。当 Eden 区空间不足时，触发 Minor GC。Minor GC 会回收 Eden 区和正在使用的 Survivor 区中不再被引用的对象，然后将存活的对象复制到另一个 Survivor 区。

大多数对象生命周期很短，它们在 Eden 区出生，在第一次 Minor GC 后被回收。只有少数对象会存活下来，进入 Survivor 区。

#Survivor 区

Survivor 区是新生代中的「缓冲区」，它的存在解决了内存复制算法的空间浪费问题。在没有 Survivor 区的情况下，每次 Minor GC 都需要将所有存活对象复制到老年代，空间利用率太低。

Survivor 区的工作机制：

• 两个 Survivor 区：S0 和 S1（也称为 From 和 To），角色会交换
• 晋升年龄：对象每经历一次 Minor GC 且存活，年龄就 +1，当年龄达到阈值（默认 15，可通过 -XX:MaxTenuringThreshold 设置）后晋升到老年代
• 动态年龄判断：JVM 会根据 Survivor 区的使用情况动态调整晋升策略，如果 Survivor 区中相同年龄的对象总大小超过 Survivor 区的 50%，则年龄大于等于该年龄的对象直接晋升

#老年代详解

老年代占据堆内存的约 2/3，用于存储长生命周期对象。对象晋升到老年代的途径有两种：

1. 年龄晋升：对象在 Survivor 区经历多次 Minor GC 后，年龄达到阈值
2. 大对象直接晋升：大对象（超过 -XX:PretenureSizeThreshold 设定值）直接在老年代分配

老年代的 GC 频率远低于新生代，但每次 GC 的代价更高。老年代的收集器通常采用标记-整理算法，需要扫描和整理更大的内存区域。

#对象分配流程

一个对象的分配流程如下：

flowchart TD
    A["新对象分配请求"] --> B{"对象大小是否超过\nEden 区可用空间?"}
    B -->|否| C{"TLAB 是否启用?"}
    C -->|是| D["在 TLAB 中分配"]
    C -->|否| E["在 Eden 区指针碰撞分配"]
    B -->|是| F{"对象大小是否超过\nPretenureSizeThreshold?"}
    F -->|是| G["直接分配在老年代"]
    F -->|否| H["触发 Minor GC"]
    H --> I{"Minor GC 后\nEden 区是否有足够空间?"}
    I -->|是| D
    I -->|否| J["对象晋升到老年代"]
    J --> K{"老年代是否有足够空间?"}
    K -->|否| L["触发 Full GC"]
    K -->|是| M["分配到老年代"]
    L --> N{"Full GC 后是否成功?"}
    N -->|是| M
    N -->|否| O["OutOfMemoryError"]
    D --> P["对象分配完成"]
    E --> P
    G --> P
    M --> P

#内存担保

内存担保是 Minor GC 前的一个检查机制：JVM 会判断老年代的最大可用连续空间是否大于历代 Survivor 区晋升到老年代的对象平均大小。如果大于，则 Minor GC 是安全的；如果不大于，JVM 会判断是否允许担保失败，如果允许则尝试 Minor GC，否则先进行一次 Full GC。

这个机制的设计意图是：如果 Minor GC 后新生代中的对象都能被 Survivor 区容纳，那就没必要触发 Full GC；如果不能容纳，则需要 Full GC 来释放老年代空间。

#堆内存配置参数

合理配置堆内存参数是 GC 调优的基础。新生代太小会导致 Minor GC 过于频繁，对象还没来得及在 Survivor 区「熬」到晋升年龄就被送进老年代；老年代太小会导致 Full GC 频繁发生。