Java虚拟机—Java8内存模型（整理版）

1.概述

       对于Java程序员来说，在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，不再需要手动释放内存，不容易出现内存泄露和内存溢出问题。一旦出现内存泄露和溢出方面的问题，如果不了解虚拟机是怎样使用内存的，排查错误将会异常艰难。

2. 运行时数据区域

       Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。Java虚拟机hotspot所管理的内存包括以下几个运行时数据区域，如图所示：

2.1 程序计数器

       程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的Java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。

       由于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，一个处理器都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。

      如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Native方法，这个计数器值则为空（Undefined）。此内存区域是唯一 一个在Java虚拟机规范中没有规定OutOfMemoryError情况的区域。

 2.2 Java虚拟机栈

　　与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同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。

　　经常有人把Java内存区分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），其中所指的“堆”就是Java堆，而所指的“栈”就是现在所讲的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。

　　局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

　　其中64为长度的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。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，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，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

　　在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

 2.3 本地方法栈

　　本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定。HotSpot虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

　　参数设置：

  1. -Xss 设置每个线程的栈大小。JDK1.5+ 每个线程栈大小为1M，一般来说如果栈不是很深的话，1M是绝对够用的啦。

　　参数含义解析：

  • 以-X开头的参数是和实现有关的，第一个s表示stack，第二个s表示size；

　　注意：

　　　　在相同物理内存下，减小这个值能生成更多的线程。但是操作系统对一个进程内的线程数还是有限制的，不能无限生成，经验值在3000~5000左右。

 2.4 Java堆

　　对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java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，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。这一点在Java虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着JIT编译器的发展以及逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么“绝对”了。

　　Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“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堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的，新生代可以有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。从内存分配的角度来看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。不过无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。

　　根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

　　参数设置：

  1. -Xms 设置堆的最小空间大小；通常为操作系统可用内存的1/64大小即可。
  2. -Xmx 设置堆的最大空间大小；通常为操作系统可用内存的1/4大小。
  3. -Xmn 设置新生代大小，是对-XX：newSize、-XX：MaxnewSize两个参数的同时配置，这个参数是在JDK1.4版本以后出现的；通常为Xmx的1/3或1/4。新生代 = Eden + 2个Survivor空间。实际可用空间 = Eden + 1个Survivor，即90%。
  4. -XX：NewSize 设置新生代最小空间大小；
  5. -XX：MaxNewSize 设置新生代最大空间大小；
  6. -XX：NewRatio 新生代与老年代的比例，如-XX：NewRatio=2，则新生代占整个堆空间的1/3，老年代占2/3。
  7. -XX：SurvivorRatio 新生代中 Eden 与 Survivor的比值。默认值为 8 。即Eden占新生代空间的8/10，另外两个Survivor各占1/10。

　　参数含义解析：

  • 以-X开头的参数是和实现有关的，并不是适用于所有的参数；
  • 最开始只有 -Xms的参数，表示‘初始’ memory size，m表示memory，s表示size；
  • 紧接是参数 -Xmx，为了对齐三字符，压缩了其表示形式，采用计算机中约定表示方式：用 x 表示“”大“ （可以联想到衣服的号码大小，S、M、L、XL、XXL），因此 -Xmx中的m应当还是memory。既然有了最大内存的概念，那么一开始的 -Xms所表示的”初始“内存也就有了一个”最小“内存的概念（其实常用的做法中初始内存采用的也就是最小内存）。如果不对齐参数长度的话，其表示应当是-Xmsx。

　　注意：

　　　　开发过程中，通常会将-Xms与-Xmx两个参数的配置相同的值，其目的是为了能够在Java垃圾回收机制清理完堆区后不需要重新分隔计算堆区的大小而浪费资源。

 2.5 方法区（永久代）

　　方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被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，即存放静态文件，如Java类、方法等。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。

　　对于习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序的开发者来说，很多人都更愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一样管理这部分内存、能够省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。

　　根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

　　方法区在不同虚拟机中有不同的实现，HotSpot在1.7版本以前和1.7版本，1.7版本后都有变化。

　　① jdk7版本以前的实现如下图所示：

② 在目前已经发布的JDK1.7的HotSpot中，已经把原本放在永久代的字符串常量池移到了Java堆中。

　　③ jdk8版本中则把永久代给完全删除了，取而代之的是MetaSpace，如图：

运行时常量池和静态变量都存储到了堆中，MetaSpace存储类的元数据，MetaSpace直接在本地内存中（Native memory），这样类的元数据分配只受本地内存大小的限制，OOM问题就不存在了。

　　 参数设置：

  1. -XX：PermSize设置永久代最小空间大小；
  2. -XX：MaxPermSize设置永久代最大空间大小；

　　参数含义解析：

  • PermSize，表示永久代初始设置大小，这里初始大小表示最小大小，Perm是permanent永久的意思；

　　注意：

  • JDK8没有这个参数设置。
  • 非堆内存不会被Java垃圾回收机制进行处理，在配置之前一定要慎重考虑下自身软件所需要的非堆区内存大小。

2.5.1 运行时常量池

　　运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

　　Java虚拟机对Class文件每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、装载和执行，但对于运行时常量池，Java虚拟机规范没有做任何细节的要求。不过，一般来说，除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

　　运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法。

　　既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

2.6 直接内存（堆外内存）

　　直接内存（Direct Memory），也叫堆外内存，它并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，而是Java虚拟机的堆以外的内存，直接受操作系统管理。但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。使用堆外内存有两个优势，一是减少了垃圾回收，二是提升复制速度，如NIO就是采用堆外内存。可以使用未公开的Unsafe和NIO包下ByteBuffer来创建堆外内存。

　　在JDK1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

　　显然，本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是，既然是内存，肯定还是会受到本机总内存（包括RAM以及SWAP区或者分页文件）大小以及处理寻址空间的限制。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限制（包括物理的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

 　　参数设置：可以通过 -XX：MaxDirectMemorySize参数来设置最大可用直接内存，如果Java虚拟机启动时未设置则默认为最大堆内存大小，即与 -Xmx相同。即假如最大堆内存为1G，则默认直接内存也为1G，那么JVM最大需要的内存大小为2G多一些。当直接内存达到最大限制时就会触发GC，如果回收失败则会引起OutOfMemoryError。

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