JVM基础和内存区域剖析

Posted 2023-03-21

参考技术A

概念

特点

先进后出

虚拟机栈：用户描述Java方法执行的内存模型

栈帧：虚拟机栈中的栈元素（用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构）包括局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口

1.主要存储：

2.数据过多会导致OutOfMemoryError异常

< JDK 1.8

>=JDK1.8

和永久代的区别：

1.存储位置不同，永久代物理上是堆的一部分，和新手代，老年代地址是连续的，而元空间属于本地内存；

2.存储内容不同，元空间存储类的元信息，静态变量和常量池等并入堆中;

3.相当于永久代的数据被分到了堆和元空间中

直接内存：避免native空间和java堆中来回进行复制

虚拟机启动时创建，用于存放对象实例，几乎所有的对象（包含常量池）都在堆上分配内存，当对象无法再该空间申请到内存时将抛出OutOfMemoryError异常。同时也是垃圾收集器管理的主要区域。可通过 -Xmx –Xms 参数来分别指定最大堆和最小堆

GC主要管理区域，可以通过-Xmx和Xms来设置最大和最小值，也可以通过-XX:NewSize -XX:MaxNewSize设置年轻代初始大小

超出空间大小会抛出OutOfMemoryError异常

新生区

新生区分为两个部分：伊甸区（Eden space）和幸存者区（survivor space）

伊甸区（Eden space）

大部分对象都会在Eden区诞生，并且一段时间不使用就会被GC回收

幸存者区（survivor space）

存在一段时间还在使用的对象会进入survivor区，survivor区包含一个相对的From区和to区，两者来回copy，回收没用的对象，用来延长对象的生命周期。

老年区（old FullGC）

经过多次GC仍然存在的对象会移动到老年区中，若老年区也满了，则会产生MajorGC（Full GC），对老年区进行内存清理（STW），若老年区执行了Full GC之后发现还是无法进行对象的报错，那么就会产生OOM异常”OutOfMemoryError“

问题：空间不连续，浪费空间

复制算法有2块一样大小的空间，情况对象时将可用的对象移动到to区里，复制算法内存空间连续

问题：要用2块空间，所以内存的模型from和to非常的小

只用一块空间，先进行标记无用对象，然后整理内存空间地址，最后清除

它只有一条GC线程，且就像前面说的，它在运行的时候需要暂停用户程序（stop the world）STW

它有多条GC线程，且它也需要暂停用户程序（stop the world）STW

它有一条或多条GC线程，且它需要在部分阶段暂停用户程序（stop the world），部分阶段与用户程序并发执行

serial（用于新生代，采用复制算法）、serial old（用于年老代，采用标记/整理算法）

parNew（用于新生代，采用复制算法）、Parallel

Scavenge（用于新生代，采用复制算法）、Parallel

old（用于年老代，采用标记/整理算法）

concurrent mark sweep[CMS] （用于年老代，采用标记/清除算法）

JVM基础--JVM内存区域模型

　　一提到Java，我们第一直觉就是Java语言。其实Java不仅仅是一种编程语言，它还是由一系列计算机软件和规范形成的技术体系，这个技术体系提供了完整的用于软件开发和跨平台部署的支持环境，并且广泛应用于嵌入式系统/移动终端/企业服务器/大型机等场合。从广义上讲，类似于JRuby等运行在JVM上的语言及其相关的程序都属于Java技术体系中的一员。但是，一般咱们从传统上理解，sun官方所定义的Java技术体系包括：Java程序设计语言/各个平台上的JVM虚拟机/class文件/Java API类库/还有第三方Java类库。我们把JVM JavaAPI 和Java程序设计语言这三部分称为JDK。

　　简单介绍了Java之后，就进入今天的主题，jvm内存区域模型。相对于c或者c++来说，Java的自动内存机制可以每次new对象写配对的delete/free代码。不容易出现内存溢出和内存泄漏的情况。同样，有利肯定就有弊处。一旦出现内存泄漏或者内存溢出的情况，排查问题也是一项棘手的工作。

　　JVM在执行Java程序时，会把Java虚拟机管理的内存划分不同的数据区域。每个区域都有自己的用途。如下图所示：

这张图就表示了Java虚拟机运行时数据区。下面我们就来一一介绍着不同区域的内容。

程序计数器

　　程序计数器program counter register , 是一块较小的内存空间。我们可以把它当前线程所执行的字节码的行号指示器。

而在虚拟机的概念模型中，字节码解释器，是通过改变这个程序计数器的值，来选去下一条需要执行的字节码指令。一些基础功能，比如分支/循环/跳转/异常处理/线程恢复等，就是得需要这个计数器才能完成。

　　Java虚拟机中的多线程就是 通过线程轮流切换 并 分配处理器执行时间 的方式来实现。在任何一个时间内，一个处理器也只能执行一个线程中的指令。所以，线程之间是来回切换的，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置。所以每条线程都配置了一个专用的独立的 程序计数器。这样，各个线程的程序计数器之间不会相互干扰，独立存储。我们称之为“线程私有”内存。

Java虚拟机栈

Java虚拟机栈 VM stack，就是执行Java方法的内存模型。这个也是线程私有的，生命周期跟线程一致。

每个Java方法被执行的时候，都会创建一个“栈帧” ，用于存储 局部变量表 和 操作数栈 和 动态链接 和局部变量区 等信息

每个Java方法从被调用 到 执行完 这个过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中 从入栈 到 出栈的过程。

下图是关于一个“栈帧”的示意图：

其中值得注意的是，栈帧中的局部变量表：局部变量区所需要的内存空间，是在编译期间就完成分配的。当进入一个方法是，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的。方法在运行期间，是不会改变局部变量表的大小。

本地方法栈

本地方法栈 native method stack ，与上面介绍的虚拟机栈基本类似。区别之处在于：上面的虚拟机栈  为执行Java方法的内存模型，而本地方法栈 是为native方法也就是操作系统提高的方法 服务的。有的虚拟机（如sun Hotspot虚拟机），就直接把本地方法栈和Java虚拟机栈合并在一起。

Java堆

java堆Java heap是Java虚拟机中内存最大的一块，是被所有线程共享的一块内存区域，随着Java虚拟机的启动而创建。

该区域的唯一目的就是 存放对象实例。所有的对象实例以及数组都是在堆上进行分配。随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术的逐渐的发展，所有对象均在堆上进行分配也变得不那么绝对。

　　Java堆是 垃圾收集器管理的主要区域。因此也被称为 GC堆 : 从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都是采用的 分代收集算法，所以 Java堆还可以细分为：新生代Young generation 和 老年代old generation。从内存分配的角度来看，线程共享的Java堆中可能会划分出多个线程私有的分配缓冲区 也就是thread local allocation buffer ，TLAB

　　但是，不管是如何划分，不管是哪个区域，都是与存放的内容没有关系，存储的依旧都是对象实例，这点是不会变化的。

　　现在我们来介绍一下，Java堆的内存大小。JVM的大小是通过-Xms(最小值)和-Xmx(最大值)参数设置，-Xms是Java虚拟机启动时申请的最小内存，默认时操作系统物理内存的1/64，但是 大于1G，-Xmx 是Java虚拟机可以申请的最大内存，默认时操作系统的物理内存的1/4 同样也是小于1G。默认当空余堆内存小于40%时，JVM会增大Heap到-Xmx指定的大小，可以通过"-XX:MinHeapFreeRation=" 这个参数来制定这个比例；当空余堆内存大于70%时，JVM会减少heap的大小到-Xms指定的大小，可以通过"-XX:MaxHeapFreeRation="来指定这个比例。对于运行系统，为了避免在运行时频繁调整Heap的大小，通常把-Xms和-Xmx的值设置成一样的。

　　上文介绍了关于Java堆的分法，我们在这就着重介绍一下关于新生代和老年代。堆的新生代和老年代的默认比例时1:2。新生代主要时 存储新创建的对象 和 尚未进入老年代 的对象。老年代则是存储经过多次新生代GC(MinorGC)仍然存活的对象。

　　新生代：

• • 程序新创新的对象都是从新生代中分配内存
  • 发生在新生代中的GC 称为MinorGC
  • 新生代由 Eden Space 和 两块大小相同的survivor space（一般称为S0 和 S1 或 From 和 To）来构成
  • 通过-Xmn参数来指定新生代的大小，也可以通过-XX:SurvivorRation 来调整Eden Space 以及 Survivor Ration的大小，默认比例为8:1:1

　　老年代：

• • 用于存储经过多次新生代GC仍然存活的对象，比如 缓存对象
  • 注意：新建的对象也可能直接进入老年代：
    • 大对象：通过启动参数“-XX:PretenureSizeThreshold=1024字节(默认为0)”，设置c
    • 大的数组对象，且 数组中没有饮用外部对象
  • 发生在老年代中的GC 称为Major GC / full GC
  • 老年代所占内存大小是-Xmx减去-Xmn的值

下面是以视图的方式来展现对象在Java堆中的移动：

对象在堆中的移动：

1. 绝大多数刚被创建的对象会存放在Eden区
2. 在Eden区执行了第一次GC之后，存活的对象会被移动到一个Survivor空间
3. 在Eden区执行GC之后，存活的对象会被堆积在同一个Survivor空间
4. 当一个Survivor空间饱和之后，依旧存活的对象会被移动到另一个Survivor空间，之后会清空已经饱和的Survivor空间
5. 在以上步骤重复几次后，依然存活的对象，则会被移动到老年代。一般是默认15次，但是我们可以通过选项“-XX:MaxTenuringThreshold=n” 控制经历n次GC后移动老年代

方法区

　　方法区 method area，其实方法区也可以称为永久代permanent generation .大家可以参考上面的图，老年代左侧有个perm区。这个就是方法区/永久代。

　　用于存储虚拟机加载的类信息 常量 静态变量 即时编译器编译后的代码等数据，是各个线程共享的内存区域。

　　默认最小内存为16MB和最大值64MB；可以通过参数 “-XX:PermSize”和“ -XX:MaxPermSize”这两个参数限制方法区的大小。

 

以上介绍的是JVM内存区域模型的基本部分，也是最常用的部分。我们明白了虚拟机中的内存是如何划分的，对于一些代码和操作会引起内存溢出异常，是哪一部分还需要我们继续学习和研究。虽然Java有垃圾收集机制，但是内存溢出异常也是会有的。我们常遇到的就有一些Java堆溢出 虚拟机栈和本地方法溢出 还有方法区和运行时常量池溢出等，这些都是常遇到的。但是Java中的垃圾收集机制还是会避免一些内存溢出异常的出现，读者也可以查询相关的资料进一步了解。