JVM内存管理-优快云博客

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本文介绍JVM内存结构，包括程序计数器、虚拟机栈、堆、方法区和本地方法栈的功能与作用，并探讨内存溢出的原因及解决方法。

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一：整体架构

1、内存结构理论

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。

而我们所说的jvm内存管理，就是针对运行时数据区。根据jvm规范，内存可划分为五大部分：

注意：

方法区在jdk7中的体现是永久代，存在于jvm内存中。而在jdk8中的体现是元空间，转移到了本地内存中，已经不属于jvm内存范畴了。
因此，永久代PermGen中的类元信息转移到了metaspace中，而其他的常量池信息，静态变量等转移到了堆中。
为什么要替换呢？

字符串存在永久代难回收，容易出现性能问题和内存溢出。
类信息和方法信息比较难确定大小，因此不好分配永久代大小。太小容易溢出，太大则浪费不必要空间，可能造成老年代溢出。
永久代GC复杂，回收率低。

下面来看看jvm内存具体划分：

程序计数器：

也叫pc寄存器，线程私有。程序在执行时候，是通过执行一行行的字节码指令，通过改变和记录计数器的值，就能知道线程执行到哪一行代码了。

虚拟机栈：

线程私有，与线程同时创建，用于存储栈帧。每一个方法调用到执行完成，就对应一个栈帧在虚拟机栈中入栈和出栈的过程。

栈帧：
一个栈帧包含一个执行方法的内容，包括：局部变量，操作数栈，动态链接，方法返回地址

可以使用-Xss设置jvm启动每个线程时，为其分配的内存大小。不过一般不会手动设置，默认1M。下面看一下栈帧中的内容：

局部变量表：
存放方法参数，方法内内定义的局部变量。包括：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，这样才会知道方法结束后，线程下一次执行哪一条字节码）。

操作数栈：
也是一个栈结构，就是方法执行中的操作计算过程。随着字节码指令的执行，会从局部变量表等，复制常量或者变量写入操作数栈，用于计算，再将结果出栈到局部变量表或调用者。

如图执行100 + 98的过程：

iload_0：加载局部变量表0位置的100到操作数栈；

iload_1：加载局部变量表1位置的98到操作数栈；

iadd：相加结果为198；

istore_2：结果出栈存储到局部表里表。

动态连接：
Java源文件被编译到字节码文件中时，所有的变量和方法引用都作为符号引用保存在class文件的常量池

那么，如果要描述方法A调用了方法B，就是通过常量池中的符号引用来表示的（比如符号为#1，表示调用了#1对应的方法）。

而在栈帧中，就有这样的符号引用，在运行时找到真正的方法或变量，转换为直接的引用。这就是动态链接。

方法返回地址：
存放调用该方法的pc寄存器值，在方法结束时返回，以便知道执行下一条指令。

堆：

内存大小设置：-Xmx/-Xms
堆内存划分：
年轻代(Young Gen)：
年轻代用来存放新创建的对象，内存较小，GC相对频繁
分为eden、survivor0 和 survivor1三个区。第1次gc时，将eden中存活的对象放到survivor0，清空eden。 第2次gc，将eden和survivor0中存活的对象放到survivor1，清空eden和survivor0。如此反复，两个survivor相互交换。当存活对象达到一定gc次数后，转移到老年代。
老年代(Tenured Gen)：内存较大，回收不频繁。
设置新生代和老年代大小：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。 -XX:SurvivorRatio=8 代表Eden空间和另外两个Survivor空间占比分别为8:1:1

元空间（Metaspace）：方法区落地的一部分,存储类的元数据信息。

-XX:MetaspaceSize，初始空间大小，达到该值后会扩容
XX:MaxMetaspaceSize，最大空间。如果不设置，会无限增大，知道耗尽物理内存。

另外，在gc之后，也会对根据空闲空间占比，动态调整元空间大小。

-XX:MinMetaspaceFreeRatio： gc后，如果空闲空间的百分比小于该值，就会调高元空间的大小。默认40（也就是40%）
-XX:MaxMetaspaceFreeRatio：gc后，如果空闲空间的百分比大于该值，就会调低元空间的大小。默认70

本地方法栈：

线程私有，为了调用Native方法用的。

我们再来看一下几个概念：

方法区
方法区就是在class文件加载到内存后，存储类的信息，域信息，方法信息，常量池等，包括修饰符public，private，还有方法的返回类型什么的。
在jdk7及以前，专门在jvm内存种开辟了一个空间，在jdk8后，将类信息等移到了本地内存metaspace中，常量池信息归到了堆内存中。
运行时常量池
常量池是存放编译期间生成的各种字面量与符号引用。 而运行时常量池，就是这些常量在运行时，转为直接引用的表现形式。
直接内存

2、内存溢出实战

堆内存：

设置最大堆最小堆：-Xms20m -Xmx20m

public class HeapOOM {
    static class OOMObject {
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<OOMObject> oomObjectList = new ArrayList<>();
        while (true) {
            oomObjectList.add(new OOMObject());
        }
    }
}

不断创建对象，java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space 异常。

新生代满后会进行一次 Minor GC
如果 Minor GC 后空间不足会把该对象或新生代满足条件的对象放入老年代，老年代空间不足时会进行 Full GC
如果空间还不足则抛出 OutOfMemoryError 异常

实际中产生的原因：

一次从加载过多数据到内存
代码不合理，集合引用太多对象没有及时清空，或者死循环不断创建对象
堆内存分配不合理

栈内存：

大小设置：-Xss128k

栈内存是线程私有，在创建线程时候确定。所以栈内存不足有两种表现形式：

线程创建成功（栈深度申请成功），执行过程中栈深度不足：java.lang.StackOverflowError 。这种情况通常是递归调用造成
线程创建失败（申请栈深度时，内存不足）： java.lang.OutOfMemoryError ，内存溢出。比如多线程申请时候

对于实际项目，一般情况下关注以上两个就可以了。