Java虚拟机JVM的内存管理

关键词

一、JVM整体架构

根据 JVM 规范，JVM 内存共分为虚拟机栈、堆、方法区、程序计数器、本地方法栈五个部分。

名称	配置参数	异常
程序计数器	无	无
虚拟机栈	-Xss	StackOverflowError/ OutOfMemoryError
堆	-Xms -Xsx -Xmn	OutOfMemoryError
方法区	-XX:PermSize:16M -XX:MaxPermSize64M/ -XX:MetaspaceSize=16M -XX:MaxMetaspaceSize=64M	OutOfMemoryError
本地方法栈	无	StackOverflowError/ OutOfMemoryError

JVM分为五大模块：类装载器子系统、运行时数据区、执行引擎、本地方法接口和垃圾收集模块。

二、VM运行时内存

Java 虚拟机有自动内存管理机制，如果出现面的问题，排查错误就必须要了解虚拟机是怎样使用内存的。

Java7和Java8内存结构的不同主要体现在方法区的实现

方法区是java虚拟机规范中定义的一种概念上的区域，不同的厂商可以对虚拟机进行不同的实现。

我们通常使用的Java SE都是由Sun JDK和OpenJDK所提供，这也是应用最广泛的版本。而该版本使用的VM就是HotSpot VM。通常情况下，我们所讲的java虚拟机指的就是HotSpot的版本。

JDK7 内存结构

JDK8 的内存结构

针对JDK8虚拟机内存详解

JDK7和JDK8变化小结

线程私有的：

①程序计数器
②虚拟机栈
③本地方法栈

线程共享的：

①堆
②方法区
直接内存(非运行时数据区的一部分)

对于Java8，HotSpots取消了永久代，那么是不是就没有方法区了呢？

当然不是，方法区只是一个规范，只不过它的实现变了。

在Java8中，元空间(Metaspace)登上舞台，方法区存在于元空间(Metaspace)。同时，元空间不再与堆连续，而且是存在于本地内存（Native memory）。

方法区Java8之后的变化

移除了永久代（PermGen），替换为元空间（Metaspace）
永久代中的class metadata（类元信息）转移到了native memory（本地内存，而不是虚拟机）
永久代中的interned Strings（字符串常量池）和 class static variables（类静态变量）转移到了Java heap
永久代参数（PermSize MaxPermSize）-> 元空间参数（MetaspaceSize MaxMetaspaceSize）

Java8为什么要将永久代替换成Metaspace？

字符串存在永久代中，容易出现性能问题和内存溢出。
类及方法的信息等比较难确定其大小，因此对于永久代的大小指定比较困难，太小容易出现永久代溢出，太
大则容易导致老年代溢出。
永久代会为 GC 带来不必要的复杂度，并且回收效率偏低。
Oracle 可能会将HotSpot 与 JRockit 合二为一，JRockit没有所谓的永久代。

2.1 PC 程序计数器

什么是程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）:也叫PC寄存器，是一块较小的内存空间，它可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令、分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

PC寄存器的特点

（1）区别于计算机硬件的pc寄存器，两者不略有不同。计算机用pc寄存器来存放“伪指令”或地址，而相对于虚拟机，pc寄存器它表现为一块内存，虚拟机的pc寄存器的功能也是存放伪指令，更确切的说存放的是将要执行指令的地址。
（2）当虚拟机正在执行的方法是一个本地（native）方法的时候，jvm的pc寄存器存储的值是undefined。
（3）程序计数器是线程私有的，它的生命周期与线程相同，每个线程都有一个。
（4）此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

Java虚拟机的多线程是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，在任何一个确定的时刻，一个处
理器只会执行一条线程中的指令。

因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数
器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

2.2 虚拟机栈

1.什么是虚拟机栈

Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)也是线程私有的，即生命周期和线程相同。Java虚拟机栈和线程同时创建，用于存储栈帧。每个方法在执行时都会创建一个栈帧(Stack Frame)，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直到执行完成的过程就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

public class StackDemo {public static void main(String[] args) {StackDemo sd = new StackDemo();sd.A();}public void A(){int a = 10;System.out.println(" method A start");System.out.println(a);B();System.out.println("method A end");}public void B(){int b = 20;System.out.println(" method B start");C();System.out.println("method B end");}private void C() {int c = 30;System.out.println(" method C start");System.out.println("method C end");}}

2.什么是栈帧

栈帧(Stack Frame)是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构。栈帧存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态连接和方法返回地址等信息。每一个方法从调用至执行完成的过程，都对应着一个栈帧在虚拟机栈里从入栈到出栈的过程。

3.设置虚拟机栈的大小

-Xss 为jvm启动的每个线程分配的内存大小，默认JDK1.4中是256K，JDK1.5+中是1M

Linux/x64 (64-bit): 1024 KB
macOS (64-bit): 1024 KB
Oracle Solaris/x64 (64-bit): 1024 KB
Windows: The default value depends on virtual memory

-Xss1m
-Xss1024k
-Xss1048576

public class StackTest {static long count = 0 ;public static void main(String[] args) {count++;System.out.println(count); //8467main(args);}}

5.局部变量表

局部变量表(Local Variable Table)是一组变量值存储空间，用于存放方法参数和方法内定义的局部变量。包括8种基本数据类型、对象引用（reference类型）和returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）。

其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1个。

6.操作数栈

操作数栈(Operand Stack)也称作操作栈，是一个后入先出栈(LIFO)。随着方法执行和字节码指令的执行，会从局部变量表或对象实例的字段中复制常量或变量写入到操作数栈，再随着计算的进行将栈中元素出栈到局部变量表或者返回给方法调用者，也就是出栈/入栈操作。

通过以下代码演示操作站执行

public class StackDemo2 {public static void main(String[] args) {int i = 1;int j = 2;int z = i + j;}}

7.动态链接

Java虚拟机栈中，每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈所属方法的符号引用，持有这个引用的目的是为了
支持方法调用过程中的动态链接(Dynamic Linking)。

动态链接的作用:将符号引用转换成直接引用。

8.方法返回地址

方法返回地址存放调用该方法的PC寄存器的值。一个方法的结束，有两种方式：正常地执行完成，出现未处理的异常非正常的退出。无论通过哪种方式退出，在方法退出后都返回到该方法被调用的位置。方法正常退出时，调用者的PC计数器的值作为返回地址，即调用该方法的指令的下一条指令的地址。而通过异常退出的，返回地址是要通过异常表来确定，栈帧中一般不会保存这部分信息。

无论方法是否正常完成，都需要返回到方法被调用的位置，程序才能继续进行。

2.3 本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。

特点

（1）本地方法栈加载native的方法, native类方法存在的意义当然是填补java代码不方便实现的缺陷而提出的。
（2）虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。
（3）是线程私有的，它的生命周期与线程相同，每个线程都有一个。

在Java虚拟机规范中，对本地方法栈这块区域，与Java虚拟机栈一样，规定了两种类型的异常：(1)StackOverFlowError :线程请求的栈深度>所允许的深度。(2)OutOfMemoryError：本地方法栈扩展时无法申请到足够的内存。

2.4 堆

2.4.1 Java 堆概念

1.简介

对于Java应用程序来说， Java堆（Java Heap）是虚拟机所管理的内存中最大的一块。 Java堆是被所有线程共享
的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例， Java 世界里“几乎”所有的对
象实例都在这里分配内存。“几乎”是指从实现角度来看，随着Java语言的发展，现在已经能看到些许迹象表明日
后可能出现值类型的支持，即使只考虑现在，由于即时编译技术的进步，尤其是逃逸分析技术的日渐强大，栈上分配、标量替换优化手段已经导致一些微妙的变化悄然发生，所以说Java对象实例都分配在堆上也渐渐变得不是那么绝对了。

2.堆的特点

（1）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。
（2）堆是jvm所有线程共享的。
堆中也包含私有的线程缓冲区 Thread Local Allocation Buffer (TLAB)
（3）在虚拟机启动的时候创建。
（4）唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例以及数组都要在这里分配内存。
（5）Java堆是垃圾收集器管理的主要区域。
（6）因此很多时候java堆也被称为“GC堆”（Garbage Collected Heap）。从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆还可以细分为：新生代和老年代；新生代又可以分为：Eden 空间、From Survivor空间、To Survivor空间。
（7）java堆是计算机物理存储上不连续的、逻辑上是连续的，也是大小可调节的（通过-Xms和-Xmx控制）。
（8）方法结束后，堆中对象不会马上移出仅仅在垃圾回收的时候时候才移除。
（9）如果在堆中没有内存完成实例的分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常

2.设置堆空间大小

内存大小-Xmx/-Xms

使用示例: -Xmx20m -Xms5m

说明：当下Java应用最大可用内存为20M，最小内存为5M

测试:

public class TestVm {public static void main(String[] args) {//补充//byte[] b=new byte[5*1024*1024];//System.out.println("分配了1M空间给数组");System.out.print("Xmx=");System.out.println(Runtime.getRuntime().maxMemory() / 1024.0 / 1024 + "M");System.out.print("free mem=");System.out.println(Runtime.getRuntime().freeMemory() / 1024.0 / 1024 + "M");System.out.print("total mem=");System.out.println(Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024.0 / 1024 + "M");}}

执行结果:

Xmx=20.0M
free mem=4.1877593994140625M
total mem=6.0M

大家可以发现，这里打印出来的Xmx值和设置的值之间是由差异的，total Memory和最大的内存之间还是存在一定差异的，就是说JVM一般会尽量保持内存在一个尽可能底的层面，而非贪婪做法按照最大的内存来进行分配。

在测试代码中新增如下语句，申请内存分配：

byte[] b=new byte[4*1024*1024];
System.out.println("分配了1M空间给数组");

在申请分配了4m内存空间之后，total memory上升了，同时可用的内存也上升了，可以发现其实JVM在分配内存过程中是动态的，按需来分配的。

3.堆的分类

现在垃圾回收器都使用分代理论，堆空间也分类如下:

在Java7 Hotspot虚拟机中将Java堆内存分为3个部分：

青年代Young Generation
老年代Old Generation
永久代Permanent Generation

在Java8以后，由于方法区的内存不在分配在Java堆上，而是存储于本地内存元空间Metaspace中，所以永久代就不存在了，在几天前(2018年9约25日)Java11正式发布以后，从官网上找到了关于Java11中垃圾收集器的官方文档，文档中没有提到“永久代”，而只有青年代和老年代。

2.4.2 年轻代和老年代

1.JVM中存储java对象可以被分为两类:

1）年轻代(Young Gen)：年轻代主要存放新创建的对象，内存大小相对会比较小，垃圾回收会比较频繁。年轻代分成1个Eden Space和2个Suvivor Space（from 和to）。

2）年老代(Tenured Gen)：年老代主要存放JVM认为生命周期比较长的对象（经过几次的Young Gen的垃圾回收后仍然存在），内存大小相对会比较大，垃圾回收也相对没有那么频繁。

2.配置新生代和老年代堆结构占比

默认 -XX:NewRatio=2，标识新生代占1，老年代占2，新生代占整个堆的1/3

修改占比 -XX:NewPatio=4 , 标识新生代占1 , 老年代占4 , 新生代占整个堆的1/5

Eden空间和另外两个Survivor空间占比分别为8:1:1

可以通过操作选项 -XX:SurvivorRatio 调整这个空间比例。比如 -XX:SurvivorRatio=8

几乎所有的java对象都在Eden区创建，但80%的对象生命周期都很短,创建出来就会被销毁.

从图中可以看出：堆大小 = 新生代 + 老年代。其中，堆的大小可以通过参数 –Xms、-Xmx 来指定。

默认的，新生代 ( Young ) 与老年代 ( Old ) 的比例的值为 1:2 ( 该值可以通过参数 –XX:NewRatio 来指定 )，即：新生代 ( Young ) = 1/3 的堆空间大小。老年代 ( Old ) = 2/3 的堆空间大小。其中，新生代 ( Young ) 被细分为 Eden 和两个Survivor 区域，这两个 Survivor 区域分别被命名为 from 和 to，以示区分。默认的，Edem : from : to = 8 : 1 : 1 ( 可以通过参数 –XX:SurvivorRatio 来设定 )，即： Eden = 8/10 的新生代空间大小，from = to = 1/10 的新生代空间大小。JVM 每次只会使用 Eden 和其中的一块 Survivor 区域来为对象服务，所以无论什么时候，总是有一块 Survivor 区域是空闲着的。因此，新生代实际可用的内存空间为 9/10 ( 即90% )的新生代空间。

2.4.3 对象分配过程

JVM设计者不仅需要考虑到内存如何分配，在哪里分配等问题，并且由于内存分配算法与内存回收算法密切相关，
因此还需要考虑GC执行完内存回收后是否存在空间中间产生内存碎片。

分配过程

1.new的对象先放在伊甸园区。该区域有大小限制
2.当伊甸园区域填满时，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸园预期进行垃圾回收（Minor GC），将伊甸园区域中不再被其他对象引用的额对象进行销毁，再加载新的对象放到伊甸园区
3.然后将伊甸园区中的剩余对象移动到幸存者0区
4.如果再次触发垃圾回收，此时上次幸存下来的放在幸存者0区的，如果没有回收，就会放到幸存者1区
5.如果再次经历垃圾回收，此时会重新返回幸存者0区，接着再去幸存者1区。
6.如果累计次数到达默认的15次，这会进入养老区。
可以通过设置参数，调整阈值 -XX:MaxTenuringThreshold=N
7.养老区内存不足是,会再次出发GC:Major GC 进行养老区的内存清理
8.如果养老区执行了Major GC后仍然没有办法进行对象的保存，就会报OOM异常

分配对象的流程：

2.4.4 堆GC

Java 中的堆也是 GC 收集垃圾的主要区域。

GC 分为两种：一种是部分收集器（Partial GC）另一类是整堆收集器（Full GC）

部分收集器: 不是完整收集java堆的的收集器,它又分为:

新生代收集（Minor GC / Young GC）: 只是新生代的垃圾收集
老年代收集（Major GC / Old GC）: 只是老年代的垃圾收集 (CMS GC 单独回收老年代)
混合收集（Mixed GC）: 收集整个新生代及老年代的垃圾收集 (G1 GC会混合回收, region区域回收)

**整堆收集（Full GC）