全网最硬核 JVM 内存解析 - 4.Java 堆内存大小的确认
本篇是关于 JVM 内存的详细分析。网上有很多关于 JVM 内存结构的分析以及图片，但是由于不是一手的资料亦或是人云亦云导致有很错误，造成了很多误解；并且，这里可能最容易混淆的是一边是 JVM Specification 的定义，一边是 Hotspot JVM 的实际实现，有时候人们一些部分说的是 JVM Specification，一部分说的是 Hotspot 实现，给人一种割裂感与误解。本篇主要从 Hotspot 实现出发，以 Linux x86 环境为主，紧密贴合 JVM 源码并且辅以各种 JVM 工具验证帮助大家理解 JVM 内存的结构。但是，本篇仅限于对于这些内存的用途，使用限制，相关参数的分析，有些地方可能比较深入，有些地方可能需要结合本身用这块内存涉及的 JVM 模块去说，会放在另一系列文章详细描述。最后，洗稿抄袭狗不得 house
本篇全篇目录（以及涉及的 JVM 参数）：
3. Java 堆内存相关设计
3.1. 通用初始化与扩展流程
目前最新的 JVM，主要根据三个指标初始化堆以及扩展或缩小堆：
- 最大堆大小
- 最小堆大小
- 初始堆大小
不同的 GC 情况下，初始化以及扩展的流程可能在某些细节不太一样，但是，大体的思路都是：
- 初始化阶段，reserve 最大堆大小，并且 commit 初始堆大小
- 在某些 GC 的某些阶段，根据上次 GC 的数据，动态扩展或者缩小堆大小，扩展就是 commit 更多，缩小就是 uncommit 一部分内存。但是，堆大小不会小于最小堆大小，也不会大于最大堆大小
3.2. 直接指定三个指标(MinHeapSize,MaxHeapSize,InitialHeapSize)的方式
这三个指标，直接对应的 JVM 参数是：
- 最大堆大小：
MaxHeapSize，如果没有指定的话会有默认预设值用于指导 JVM 计算这些指标的大小，下一章节会详细分析，预设值为 125MB 左右（96M*13/10） - 最小堆大小：
MinHeapSize，默认为 0，0 代表让 JVM 自己计算，下一章节会详细分析 - 初始堆大小：
InitialHeapSize，默认为 0，0 代表让 JVM 自己计算，下一章节会详细分析
对应源码是：https://github.com/openjdk/jdk/blob/jdk-21+3/src/hotspot/share/gc/shared/gc_globals.hpp：
#define ScaleForWordSize(x) align_down((x) * 13 / 10, HeapWordSize)
product(size_t, MaxHeapSize, ScaleForWordSize(96*M), \
"Maximum heap size (in bytes)") \
constraint(MaxHeapSizeConstraintFunc,AfterErgo) \
product(size_t, MinHeapSize, 0, \
"Minimum heap size (in bytes); zero means use ergonomics") \
constraint(MinHeapSizeConstraintFunc,AfterErgo) \
product(size_t, InitialHeapSize, 0, \
"Initial heap size (in bytes); zero means use ergonomics") \
constraint(InitialHeapSizeConstraintFunc,AfterErgo) \
我们可以通过类似于 -XX:MaxHeapSize=1G 这种启动参数对这三个指标进行设置，但是，我们经常看到的可能是 Xmx 以及 Xms 这两个参数设置这三个指标，这两个参数分别对应：
Xmx：对应 最大堆大小 等价于MaxHeapSizeXms：相当于同时设置最小堆大小MinHeapSize和初始堆大小InitialHeapSize
对应的 JVM 源码是：https://github.com/openjdk/jdk/blob/jdk-21+3/src/hotspot/share/runtime/arguments.cpp：
//如果设置了 Xms
else if (match_option(option, "-Xms", &tail)) {
julong size = 0;
//解析 Xms 大小
ArgsRange errcode = parse_memory_size(tail, &size, 0);
if (errcode != arg_in_range) {
jio_fprintf(defaultStream::error_stream(),
"Invalid initial heap size: %s\n", option->optionString);
describe_range_error(errcode);
return JNI_EINVAL;
}
//将解析的值设置到 MinHeapSize
if (FLAG_SET_CMDLINE(MinHeapSize, (size_t)size) != JVMFlag::SUCCESS) {
return JNI_EINVAL;
}
//将解析的值设置到 InitialHeapSize
if (FLAG_SET_CMDLINE(InitialHeapSize, (size_t)size) != JVMFlag::SUCCESS) {
return JNI_EINVAL;
}
//如果设置了 Xmx
} else if (match_option(option, "-Xmx", &tail) || match_option(option, "-XX:MaxHeapSize=", &tail)) {
julong long_max_heap_size = 0;
//解析 Xmx 大小
ArgsRange errcode = parse_memory_size(tail, &long_max_heap_size, 1);
if (errcode != arg_in_range) {
jio_fprintf(defaultStream::error_stream(),
"Invalid maximum heap size: %s\n", option->optionString);
describe_range_error(errcode);
return JNI_EINVAL;
}
//将解析的值设置到 MaxHeapSize
if (FLAG_SET_CMDLINE(MaxHeapSize, (size_t)long_max_heap_size) != JVMFlag::SUCCESS) {
return JNI_EINVAL;
}
}
最后提一句，JVM 启动参数，同一个参数可以多次出现，但是只有最后一个会生效，例如：
java -XX:MaxHeapSize=8G -XX:MaxHeapSize=4G -XX:MaxHeapSize=8M -version
这个命令启动的 JVM MaxHeapSize 为 8MB。由于前面提到 Xmx 与 MaxHeapSize 是等价的，所以这么写也是可以的(虽然最后 MaxHeapSize 还是 8MB)：
java -Xmx=8G -XX:MaxHeapSize=4G -XX:MaxHeapSize=8M -version
3.3. 不手动指定三个指标的情况下，这三个指标(MinHeapSize,MaxHeapSize,InitialHeapSize)是如何计算的
上一章节我们提到我们可以手动指定这三个参数，如果不指定呢？JVM 会怎么计算这三个指标的大小？首先，当然，JVM 会读取 JVM 可用内存：首先 JVM 需要知道自己可用多少内存，我们称为可用内存。由此引入第一个 JVM 参数，MaxRAM，这个参数是用来明确指定 JVM 进程可用内存大小的，如果没有指定，JVM 会自己读取系统可用内存。这个可用内存用来指导 JVM 限制最大堆内存。后面我们会看到很多 JVM 参数与这个可用内存相关。
前面我们还提到了，就算没有指定 MaxHeapSize 或者 Xmx，MaxHeapSize 也有自己预设的一个参考值。源码中这个预设参考值为 125MB 左右（96M*13/10）。但是一般最后不会以这个参考值为准，JVM 初始化的时候会有很复杂的计算计算出合适的值。比如你可以在你的电脑上执行下下面的命令，可以看到类似下面的输出：
> java -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintFlagsFinal -version|grep MaxHeapSize
size_t MaxHeapSize = 1572864000 {product} {ergonomic}
size_t SoftMaxHeapSize = 1572864000 {manageable} {ergonomic}
openjdk version "17.0.2" 2022-01-18 LTS
OpenJDK Runtime Environment Corretto-17.0.2.8.1 (build 17.0.2+8-LTS)
OpenJDK 64-Bit Server VM Corretto-17.0.2.8.1 (build 17.0.2+8-LTS, mixed mode, sharing)
可以看到 MaxHeapSize 的大小，以及它的值是通过 ergonomic 决定的。也就是非人工指定而是 JVM 自己算出来的。
上面提到的那个 125MB 左右的初始参考值，一般用于 JVM 计算。我们接下来就会分析这个计算流程，首先是最大堆内存 MaxHeapSize 的计算流程：
流程中涉及了以下几个参数，还有一些已经过期的参数，会被转换成未过期的参数：
MinRAMPercentage：注意不要被名字迷惑，这个参数是在可用内存比较小的时候生效，即最大堆内存占用为可用内存的这个参数指定的百分比，默认为 50，即 50%MaxRAMPercentage：注意不要被名字迷惑，这个参数是在可用内存比较大的时候生效，即最大堆内存占用为可用内存的这个参数指定的百分比，默认为 25，即 25%ErgoHeapSizeLimit：通过自动计算，计算出的最大堆内存大小不超过这个参数指定的大小，默认为 0 即不限制MinRAMFraction: 已过期，如果配置了会转化为MinRAMPercentage换算关系是：MinRAMPercentage= 100.0 /MinRAMFraction，默认是 2MaxRAMFraction: 已过期，如果配置了会转化为MaxRAMPercentage换算关系是：MaxRAMPercentage= 100.0 /MaxRAMFraction，默认是 4
对应的源码是：https://github.com/openjdk/jdk/blob/jdk-21+3/src/hotspot/share/gc/shared/gc_globals.hpp：
product(double, MinRAMPercentage, 50.0, \
"Minimum percentage of real memory used for maximum heap" \
"size on systems with small physical memory size") \
range(0.0, 100.0) \
product(double, MaxRAMPercentage, 25.0, \
"Maximum percentage of real memory used for maximum heap size") \
range(0.0, 100.0) \
product(size_t, ErgoHeapSizeLimit, 0, \
"Maximum ergonomically set heap size (in bytes); zero means use " \
"MaxRAM * MaxRAMPercentage / 100") \
range(0, max_uintx) \
product(uintx, MinRAMFraction, 2, \
"Minimum fraction (1/n) of real memory used for maximum heap " \
"size on systems with small physical memory size. " \
"Deprecated, use MinRAMPercentage instead") \
range(1, max_uintx) \
product(uintx, MaxRAMFraction, 4, \
"Maximum fraction (1/n) of real memory used for maximum heap " \
"size. " \
"Deprecated, use MaxRAMPercentage instead") \
range(1, max_uintx) \
然后如果我们也没有设置 MinHeapSize 以及 InitialHeapSize，也会经过下面的计算过程计算出来：
流程中涉及了以下几个参数，还有一些已经过期的参数，会被转换成未过期的参数：
NewSize：初始新生代大小，预设值为 1.3MB 左右（1*13/10）OldSize：老年代大小，预设值为 5.2 MB 左右（4*13/10）InitialRAMPercentage：初始堆内存为可用内存的这个参数指定的百分比，默认为 1.5625，即 1.5625%InitialRAMFraction: 已过期，如果配置了会转化为InitialRAMPercentage换算关系是：InitialRAMPercentage= 100.0 /InitialRAMFraction
对应的源码是：https://github.com/openjdk/jdk/blob/jdk-21+3/src/hotspot/share/gc/shared/gc_globals.hpp：
product(size_t, NewSize, ScaleForWordSize(1*M), \
"Initial new generation size (in bytes)") \
constraint(NewSizeConstraintFunc,AfterErgo) \
product(size_t, OldSize, ScaleForWordSize(4*M), \
"Initial tenured generation size (in bytes)") \
range(0, max_uintx) \
product(double, InitialRAMPercentage, 1.5625, \
"Percentage of real memory used for initial heap size") \
range(0.0, 100.0) \
product(uintx, InitialRAMFraction, 64, \
"Fraction (1/n) of real memory used for initial heap size. " \
"Deprecated, use InitialRAMPercentage instead") \
range(1, max_uintx) \
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