深入浅出 Java 中 JVM 内存管理

Java岗位面试,JVM是对程序员基本功考察,通常会问你对JVM了解吗?

可以分几部分回答这个问题,首先JVM内存划分 | JVM垃圾回收的含义 | 有哪些GC算法以及年轻代和老年代各自特点等等。

1) JVM内存划分:

① 方法区 (线程共享) 常量静态变量 JIT(即时编译器)编译后代码也在方法区存放

② 堆内存 (线程共享) 垃圾回收的主要场地

③ 程序计数器当前线程执行的字节码的位置指示器

④ Java虚拟机栈(栈内存) :保存局部变量,基本数据类型以及堆内存中对象的引用变量

⑤ 本地方法栈 (C栈):为JVM提供使用native方法的服务

通过这幅图了解一下

JDK 1.8同JDK 1.7 最大的区别是:元数据区取代了永久代.元数据区的本质和永久代类似,都是对JVM规范中的方法区的实现.元数据区和永久代之间的最大区别在于:元数据区不在虚拟机中,而是在本地内存中

详细了解一下各个部分

01)程序计数器(PC寄存器)

程序计数器的定义: 程序计数器是一块较小的内存空间,是当前线程正在执行的那一条字节码指令的地址,若当前线程正在执行的是一个本地方法,那么此时程序计数器为Undefined

程序计数器的作用:

字节码解释器通过改变程序计数器来依次获取指令,从而实现代码的流程控制
在多线程情况下,程序计数器记录的是当前线程执行的位置,从而当线程切换回来时,就知道上次线程执行到哪了

程序计数器的特点

是一块较小的内存空间
线程私有,每个线程都有自己的程序计数器
生命周期:随着线程的创建而创建,随着线程的销毁而销毁
是一个唯一不会出现OutOfMemoryError的内存区域

02)Java虚拟机栈

定义: 描述Java方法运行过程的内存模型

Java虚拟机栈会为每一个即将运行的Java方法创建一块叫做"栈帧"的区域,用于存放该方法运行过程中的一些信息,如：局部变量表 /操作数栈 /动态链接 /方法出口信息 .............

压栈出栈过程:

当方法运行过程中需要创建局部变量时,就将局部变量的值存入栈帧的局部变量表中

Java虚拟机栈的栈顶是当前正在执行的活动栈,也就是当前正在执行的方法,PC寄存器也会指向这个地址,只有这个活动的栈帧的本地变量可以被操作数栈操作,当前这个栈帧中调用另一个方法,与之对应的栈帧又会被创建,新创建的栈帧压入栈顶,变成当前的活动栈帧,方法结束后,当前栈帧的返回值变成新的活动栈帧中的操作数栈的一个操作数,如果没有返回值,那么新的活动栈帧中操作数栈的操作数没有变化

由于Java虚拟机栈是线程对应的,数据不是共享的,因此不用关心数据一致性问题,也不会存在同步锁的问题

特点

局部变量表随着栈帧的创建而创建,它的大小在编译时确定,创建时只需分配事先规定的大小即可,在方法运行的过程中,局部变量表的大小不会发生变化
Java虚拟机栈会出现两种异常:StackOverFlowError和OutOfMemoryError
StackOverFlowError：若Java虚拟机栈的大小不允许动态扩展,那么当前线程请求的栈的深度超过当前的Java虚拟机栈的最大深度时,就会抛出此异常
OutOfMemoryError：若允许动态扩展,那么当前线程的请求的栈内存用完了,无法再动态扩展时,抛出此异常
Java虚拟机栈也是线程私有,随着线程创建而创建,随着线程的结束而销毁

03)本地方法栈(C栈)

定义: 是为了JVM运行native方法准备的空间,由于很多native方法都是用C语言实现的,所以通常又叫C栈,它与Java虚拟机栈实现的功能类似,只不过本地方法栈是描述本地方法运行过程的内存模型

栈帧变化过程:

本地方法被执行时,在本地方法栈也会创建一块栈帧,用于存放该方法的局部变量表 /操作数栈 /动态链接 /方法出口等信息; 方法结束后,相应的栈帧也会出栈,并释放内存空间.也会抛出StackOverFlowError和OutOfMemoryError异常

04) 堆

定义: 堆是用来存放对象的内存空间,几乎所有的对象都存储在堆中

特点:

线程共享,整个Java虚拟机只有一个堆,所有线程都访问同一个堆.
在虚拟机启动时创建
是垃圾回收的主要场地
进一步可分为:新生代(Eden区 From Survior To Surviror) 老年代
不同的区域存放了不同生命周期的对象,这样可以根据不同区域使用不同的垃圾回收算法,更具有针对性. 堆的大小也可以固定也可以扩展,对于主流的虚拟机,堆大小是可扩展的,因此当线程请求分配的内存,但堆已满,且内存已无法再扩展时,就抛出OutOfMemoryError异常

05)方法区

定义: Java虚拟机规范中定义方法区是堆的一个逻辑部分,方法区存放以下信息：已被虚拟机加载的类信息 /常量 /静态变量 /即时编译后代码

特点:

线程共享.方法区是堆的一个逻辑部分,因此和堆一样,都是线程共享,整个虚拟机中只有一个方法区
永久代方法区中的信息一般需要长期存在,而且它又是堆的逻辑分区,因此用堆的划分方法,把方法区称为"永久代"
内存回收的效率低.方法区中的信息一般需要长期存在,回收一遍只有少量信息无效.主要回收的目标是: 对常量池的回收;对类型的卸载
Java虚拟机规范l对方法区的要求比较宽松,和堆一样,允许固定大小.也允许动态扩展,还允许不实现垃圾回收

运行时常量池:

方法区中存放:类信息常量静态变量即时编译器编译后的代码.常量就存放在运行时常量池中.当类被Java虚拟机加载后,.class文件中的常量就存在方法区的运行时常量池,而且在运行期间,可以向常量池中添加新的常量,如String类的intern()方法就能在运行期间向常量池中添加字符串常量

06) 直接内存(堆外内存)

直接内存是除Java虚拟机之外的内存,但有可能被Java使用

操作直接内存:

在NIO中引入了一种基于通道和缓存的IO方式,他可以调用本地方法直接分配Java虚拟机之外的内存,然后通过一个存储在堆中的DirectByteBuffer对象直接操作该内存,而无需将外部内存中数据复制到堆中再进行操作,从而提高数据操作的效率,直接内存的大小不受Java虚拟机限制,也会抛出OutOfMemoryError异常

直接内存和堆内存比较：

直接内存申请空间耗费更高的性能
直接内存读取IO的性能优于普通的堆内存
直接内存的作用链:本地IO-->直接内存-->本地IO
堆内存的作用链:本地IO-->直接内存-->非直接内存-->直接内存--->本地IO
服务器管理员在配置虚拟机参数时,会根据实际内存设置 -Xmx等参数信息,但经常忽略直接内存,使得各个内存区域总和大于物理内存,从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError

2)类似 -Xms -Xmn这些参数的含义

堆内存分配

① : JVM初始分配的内存由-Xms指定,默认是物理内存的1/64

②: JVM最大分配的内存由-Xmx指定,默认是物理内存的1/4

③: 默认空余堆内存小于40%时,JVM就会增加堆直到-Xmx的最大限制;空余堆内存大于70%时,JVM会减少堆直到-Xms的最小限制

④: 因此服务器一般设置-Xms -Xmx相等以避免在每次GC后调整堆大小. 对象的堆内存由垃圾回收器的自动内存管理系统回收

非堆内存分配:

①:JVM使用-XX:PermSize 设置非堆内存的初始值,默认是物理内存的1/64;

② :由XX:MaxPermSize设置最大非堆内存的大小

③: -Xmn2G :设置年轻代的大小为2G

④ :-XX:SurvivorRatio ,设置年轻代中Eden区与Survivor区的比值

3)垃圾回收的算法有哪些?

① 引用计数法:原理是在此对象有个引用,则增加一个计数,删除一个引用则减少一个计数.垃圾回收时,只收集计数为0的对象.此算法最致命的是无法处理循环引用的问题

②: 标记-清除 :此算法分两个阶段,第一阶段从引用的根节点开始标记所有被引用的对象,第二阶段遍历整个堆,把未标记的对象清除,此算法需要暂停应用,同时产生内存碎片

③: 复制算法此算法把内存划分为两个相等的区域,每次只使用一个区域,垃圾回收时,遍历当前使用的区域,把正在使用的对象复制到另一个区域中，算法每次只处理正在使用的对象,因此复制的成本比较小,同时复制过去以后还能进行相应的内存整理,不会出现"碎片问题",此算法的缺点也很明显,需要两倍的内存空间

④: 标记-整理:此算法结合了"标记-清除"和"复制算法"的两个的优点,也是分两个阶段,第一个阶段从根节点开始标记所有被引用对象,第二阶段遍历整个堆,清除未标记的对象并且把存活的对象"压缩"到堆的其中一块,按顺序排放,,此算法避免"标记-清除"的碎片问题,同时也避免"复制"的空间问题

4)root搜索算法中,哪些可以作为root?

被启动类(bootstrap加载器)加载的类和创建的对象
JavaStack中引用的对象(栈内存中引用的对象)
方法区中静态引用