第一章 JVM内存结构

注意：本系列博客，主要参考自以下四本书

《分布式Java应用：基础与实践》《深入理解Java虚拟机（第二版）》《深入分析Java web技术内幕》《实战java虚拟机》

1、为什么要了解JVM内存管理机制

• JVM自动的管理内存的分配与回收，这会在不知不觉中浪费很多内存，导致JVM花费很多时间去进行垃圾回收（GC）
• 内存泄露，导致JVM内存最终不够用

2、JVM内存结构

根据上图，JVM内存结构包括：

• 方法区 - Java虚拟机规范
  • <jdk8 之前的实现是永久代，java8里彻底被移除，取而代之的是元数据区
• 堆
• 栈（在hotspot JVM中，JVM方法栈--Java虚拟栈，与本地方法栈是同一个）
• PC寄存器（程序计数器）

还有一块：

• 直接内存：直接向系统内存申请的一块内存区域，javaNIO会使用，速度优于java堆内存。- 隶属于物理内存，不属于JVM内存

注意点：

• 堆是GC的主要区域，方法区、直接内存也会发生GC
• 栈与PC寄存器是每个线程都会创建的私有区域，不会GC
• 直接内存使用速度由于堆内存，但是内存的申请速度低于堆内存

2.1、方法区

• 存放内容（类的各种信息-包括属性和方法、类static属性、常量池）
  • 已经加载的类的信息（名称、修饰符等）
  • 类中的field信息
  • 类中的方法信息
  • 类中的static变量
  • 类中定义为final常量
  • 运行时常量池：编译器生成的各种字面量和符号引用（编译期）存储在class文件的常量池中，这部分内容会在类加载之后进入运行时常量池，class文件的常量池查看 第三章 类文件结构与javap的使用
• 使用实例：反射，在程序中通过Class对象调用getName等方法获取信息数据时，这些信息数据来源于方法区。
• 调节参数
  • -XX:PermSize：指定方法区的最小值，默认为16M
  • -XX:MaxPermSize：指定方法区的最大值，默认为64M
• 所抛错误
  • 方法区域要使用的内存超过了其允许的大小时，抛出OutOfMemoryError
• 内存回收的主要目标
  • 对类的卸载（这也是为什么很多企业使用velocity等模板引擎做前端而不是使用jsp的原因之一）
  • 针对常量池的回收
• 总结
  • 一般而言，在企业开发中，-XX:PermSize==-XX:MaxPermSize
  • 通常，这个大小设置为256M就没问题了，当然还要根据自己的程序去预估，并在运行过程中去调整，这里以在Resin服务器中配置为例

                <jvm-arg>-XX:PermSize=256M</jvm-arg>
                <jvm-arg>-XX:MaxPermSize=256M</jvm-arg>

  • 类中的static变量会在方法区分配内存，但是类中的实例变量不会（类中的实例变量会随着对象实例的创建一起分配在堆中，当然若是基本数据类型的话，会随着对象的创建直接压入操作数栈）
  • 关于方法区的存放内容，可以这样去想所有的通过Class对象可以反射获取的都是从方法区获取的（包括Class对象也是方法区的，Class是该类下所有其他信息的访问入口）

注意：常量池在jdk1.6在方法区；在jdk1.7在堆

附：元数据区

• 调节参数：-XX:MaxMetaspaceSize，如果不指定大小，极限情况下可能耗尽系统所有内存
• 元数据区是堆外的一块直接内存

2.2、堆

• 存放内容
  • 对象实例（类中的实例变量会随着对象实例的创建一起分配在堆中，当然若是基本数据类型的话，会随着对象的创建直接压入操作数栈），这一点查看 第四章 类加载机制
  • 数组值
• 使用实例
  • 所有通过new创建的对象都在这块儿内存分配，具体分配到年轻代还是年老代需要根据配置参数而定（新建对象直接分配到年老代有两种情况，看下边）
• 调节参数
  • -Xmx：最大堆内存，默认为物理内存的1/4但小于1G
  • -Xms：最小堆内存，默认为物理内存的1/64但小于1G
  • -XX:MinHeapFreeRatio，默认当空余堆内存小于最小堆内存的40%时，堆内存增大到-Xmx
  • -XX:MaxHeapFreeRatio，当空余堆内存大于最大堆内存的70%时，堆内存减小到-Xms
• 注意点
• 在实际使用中，-Xmx与-Xms配置成相等的，这样，堆内存就不会频繁的进行调整了
• 抛出错误
  • OutOfMemoryError：在堆中没有内存完成实例分配（关于实例内存的分配，之后再说），此时堆内存已达到最大无法扩展时。
• 堆内存划分

• • 新生代
    • 组成：Eden+From（S0）+To（S1）
    • -Xmn：整个新生代的大小
    • -XX:SurvivorRatio：调整Eden:From(To)的比率，默认为8:1
  • 年老代
    • 新建对象直接分配到年老代，两种情况
      • 大对象：-XX:PretenureSizeThreshold（单位：字节）参数来指定大对象的标准，在Parallel Scavenge GC下可能无效，具体见《第五章 JVM垃圾收集器（1） 》
      • 大数组：数组中的元素没有引用任何外部的对象
• 总结
  • 企业开发中，-Xmx==-Xms
  • -Xmx的设置要根据自己的程序去预估，并在运行过程中去调整，这里以在Resin服务器中配置为例

                <jvm-arg>-Xms2048m</jvm-arg>
                <jvm-arg>-Xmx2048m</jvm-arg>
                <jvm-arg>-Xmn512m</jvm-arg>
                <jvm-arg>-XX:SurvivorRatio=8</jvm-arg>
                <jvm-arg>-XX:MaxTenuringThreshold=15</jvm-arg>

    可以看到，-Xms==-Xmx==2048m，年轻代大小-Xmn==512m，这样，年老代大小就是2048-512==1536m，这个比率值得记住，在企业开发中，年轻代:年老代==1:3，而此时，我们配置的-XX:MaxTenuringThreshold=15（这也是默认值），年轻代对象经过15次的复制后进入到年老代（关于这一点，在之后的GC机制中会说），

  • -XX:MaxTenuringThreshold与-XX:PretenureSizeThreshold不一样，不要看错

2.3、栈

• 注意点
  • 每条线程都会分配一个栈，每个栈中有多个栈帧（每一个方法对应一个栈帧）
  • 线程创建的时候创建一个线程的java栈
  • 每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧，每个栈帧用于存储当前方法的局部变量表、操作数栈等，具体查看本文第一个图，每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程，说的更明白一点，就是方法执行时创建栈帧，方法结束时释放栈帧所占内存
• 存放内容
  • 局部变量表：八大基本数据类型数据、对象引用。该空间在编译期已经分配好，运行期不变。
  • 操作数栈：是执行引擎直接操作的部分
• 调节参数
  • -Xss：设置栈的大小，通常设置为1m就好

    <jvm-arg>-Xss1m</jvm-arg>

• 支持native方法执行（本地方法栈）
• 所抛错误
  • StackOverFlowError：线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度。
    • 栈的深度就是方法调用嵌套的层数，受限于-Xss的大小
    • 典型场景：没有终止条件的递归（递归基于栈）。
    • 每个方法的栈的深度在javac编译之后就已经确定了，查看 第三章 类文件结构与javap的使用
  • OutOfMemoryError：虚拟机栈可以动态扩展，如果扩展的时候无法申请到足够的内存。
    • 需要注意的是，栈可以动态扩展，但是栈中的局部变量表不可以。

2.4、PC寄存器（程序计数器）

• 概念：当前线程所执行的字节码的行号指示器，用于字节码解释器对字节码指令的执行。
• 多线程：通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个时刻，一个处理器（也就是一个核）只能执行一条线程中的指令，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储。

附：对象分配（《实战java虚拟机》）