JVM的内存结构，JVM的回收机制

Posted 2020-09-25 月魄

 

　　内存作为系统中重要的资源，对于系统稳定运行和高效运行起到了关键的作用，Java和C之类的语言不同，不需要开发人员来分配内存和回收内存，而是由JVM来管理对象内存的分配以及对象内存的回收（又称为垃圾回收、GC），这对于开发人员来说确实大大降低了编写程序的难度，但带来的一个副作用就是，当系统运行过程中出现JVM抛出的内存异常（例如OutOfMemoryError）的时候，很难知道原因是什么，另外一方面，要编写高性能的程序，通常需要借助内存来提升性能，因此如

何才能合理的使用内存以及让JVM合理的进行内存的回收是必须掌握的，本节将主要分析一下JVM的内存结构。

其实对于我们一般理解的计算机内存，它算是CPU与计算机打交道最频繁的区域，所有数据都是先经过硬盘至内存，然后由CPU再从内存中获取数据进行处理，又将数据保存到内存，通过分页或分片技术将内存中的数据再flush至硬盘。那JVM的内存结构到底是如何呢？JVM做为一个运行在操作系统上，但又独立于os运行的平台，它的内存至少应该包括象寄存器、堆栈等区域。

JVM在运行时将数据划分为了6个区域来存储，而不仅仅是大家熟知的Heap区域，这6个区域图示如下：

JVM在运行时将数据划分为了6个区域来存储，而不仅仅是大家熟知的Heap区域
一  PC Register(PC寄存器)

PC寄存器是一块很小的内存区域，主要作用是记录当前线程所执行的字节码的行号。字节码解释器工作时就是通过改变当前线程的程序计数器选取下一条字节码指令来工作的。任何分支，循环，方法调用，判断，异常处理，线程等待以及恢复线程，递归等等都是通过这个计数器来完成的。
由于Java多线程是通过交替线程轮流切换并分配处理器时间的方式来实现的，在任何一个确定的时间里，在处理器的一个内核只会执行一条线程中的指令。
因此为了线程等待结束需要恢复到正确的位置执行，每条线程都会有一个独立的程序计数器来记录当前指令的行号。计数器之间相互独立互不影响，我们称这块内存为“线程私有”的内存。
如果所调用的方法为native的，则PC寄存器中不存储任何信息。

二  JVM栈
JVM栈是线程私有的，每个线程创建的同时都会创建JVM栈，JVM栈中存放的为当前线程中局部基本类型的变量（java中定义的八种基本类型：boolean、char、byte、short、int、long、float、double）、部分的返回结果以及Stack Frame，
非基本类型的对象在JVM栈上仅存放一个指向堆上的地址，因此Java中基本类型的变量是值传递，而非基本类型的变量是引用传递，Sun JDK的实现中JVM栈的空间是在物理内存上分配的，而不是从堆上分配。
由于JVM栈是线程私有的，因此其在内存分配上非常高效，并且当线程运行完毕后，这些内存也就被自动回收。
当JVM栈的空间不足时，会抛出StackOverflowError的错误，在Sun JDK中可以通过-Xss来指定栈的大小
三  堆（Heap）
Heap是大家最为熟悉的区域，它是JVM用来存储对象实例以及数组值的区域，可以认为Java中所有通过new创建的对象的内存都在此分配，
Heap中的对象的内存需要等待GC进行回收，Heap在32位的操作系统上最大为2G，在64位的操作系统上则没有限制，
其大小通过-Xms和-Xmx来控制，-Xms为JVM启动时申请的最小Heap内存，默认为物理内存的1/64但小于1G，-Xmx为JVM可申请的最大Heap内存，默认为物理内存的1/4，默认当空余堆内存小于40%时，JVM会增大Heap的大小到-Xmx指定的大小
，可通过-XX:MinHeapFreeRatio=来指定这个比例，当空余堆内存大于70%时，JVM会将Heap的大小往-Xms指定的大小调整，可通过-XX:MaxHeapFreeRatio=来指定这个比例，
但对于运行系统而言，为了避免频繁的Heap Size的大小，通常都会将-Xms和-Xmx的值设成一样，因此这两个用于调整比例的参数通常是没用的。其实jvm中对于堆内存的分配、使用、管理、收集等有更为精巧的设计，具体可以在JVM堆内存分析中进行详细介绍。

当堆中需要使用的内存超过其允许的大小时，会抛出OutOfMemory的错误信息。

四  方法区域（MethodArea）
方法区域存放了所加载的类的信息（名称、修饰符等）、类中的静态变量、类中定义为final类型的常量、类中的Field信息、类中的方法信息，
当开发人员在程序中通过Class对象中的getName、isInterface等方法来获取信息时，这些数据都来源于方法区域，可见方法区域的重要性
。同样，方法区域也是全局共享的，它在虚拟机启动时在一定的条件下它也会被GC，当方法区域需要使用的内存超过其允许的大小时，会抛出OutOfMemory的错误信息。
在Sun JDK中这块区域对应的为PermanetGeneration，又称为持久代，默认为64M，可通过-XX:PermSize以及-XX:MaxPermSize来指定其大小。

五  运行时常量池（RuntimeConstant Pool）

类似C中的符号表，存放的为类中的固定的常量信息、方法和Field的引用信息等，其空间从方法区域中分配。类或接口的常量池在该类的class文件被java虚拟机成功装载时分配。

六  本地方法堆栈（NativeMethod Stacks）

JVM采用本地方法堆栈来支持native方法的执行，此区域用于存储每个native方法调用的状态


GC回收机制

 1、新生代：在新生代里的每一个对象，都会有一个年龄，当这些对象的年龄到达一定程度时（年龄就是熬过的GC次数，每次GC如果对象存活下来，则年龄加1），则会被转到年老代，而这个转入年老代的年龄值，一般在JVM中是可以设置的。

  2、年老代:在新生代存活对象占用的内存超过10%时，则多余的对象会放入年老代。这种时候，年老代就是新生代的“备用仓库”。

3、永久代：在我们常用的hotspot虚拟机（JDK默认的JVM）中，方法区也被亲切的称为永久代。

回收的时机

         JVM在进行GC时，并非每次都对上面三个内存区域一起回收的，大部分时候回收的都是指新生代。因此GC按照回收的区域又分了两种类型，一种是普通GC（minor GC），一种是全局GC（major GC or Full GC），它们所针对的区域如下。

         普通GC（minor GC）：只针对新生代区域的GC。

         全局GC（major GC or Full GC）：针对年老代的GC，偶尔伴随对新生代的GC以及对永久代的GC。

         由于年老代与永久代相对来说GC效果不好，而且二者的内存使用增长速度也慢，因此一般情况下，需要经过好几次普通GC，才会触发一次全局GC。