浅谈Java内存模型——JVM

钱多多_qdd

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分类专栏： java原理文章标签： java jvm

于 2020-09-24 00:07:43 首次发布

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一、前言

java内存模型是java重要的知识，可以分析解决在生产环境中所遇到的各种“棘手”的问题。

jvm内存模型：class文件在java进程中内存分布的情况。
运行时数据区（jvm组成）：一个class文件，在jvm中运行时的数据存储以及数据状态，是一个动态的过程。

二、JVM组成

类加载器（classLoader）
运行时数据区(Runtime Data Area)
执行引擎(Execution Engine)
本地库接口(Navite Interface)

各个组成部分的用途：

程序在运行之前会把.java文件转成.class的字节码文件，jvm首先通过类加载器（classLoader）把字节码文件加载到内存——运行时数据区(Runtime Data Area)，而字节码文件是jvm的一套指令集规范，底层系统并不能识别，需要调用执行引擎(Execution Engine)，把字节码文件翻译成底层系统可以识别的语言，这个过程需要使用本地库接口(Navite Interface)，本地库接口主要是c语言。

三、运行时数据区组成

方法区（Method Area）
java堆（java Heap）
java虚拟机栈（Java Virtual Mechine Stacks）
本地方法栈（Navite Method Stacks）
程序计数器（Program Counter Register）

内存问题都是在运行时数据区。

如上图所示：

方法区和堆是数据区，是jvm共享的。其中方法区主要是存储静态数据（类信息，静态常量等），堆存储动态数据（对象）。
java虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器，是运算区，是线程私有的。

3.1 方法区

最重要的内存区域，保存了类的信息（名称、成员、接口、父类）、静态常量、变量，域信息（字段，类型等）、方法信息和即时编译器（JIT）编译后的代码，反射机制是重要的组成部分，动态进行类操作的实现；

方法区介绍：

方法区的生命周期与 JVM 进程一致
存储已被虚拟机加载的类型信息，方法信息，域信息，运行时常量，静态变量（不同版本不一样），即时编译器（ JIT ）编译后的代码
运行时常量池属于 Method Area 中的一部分方法区
从逻辑上来理解其本身也属于 H eap 的一部分。但是为了区分和更好的内存对象的垃圾回收，我们将 Method Area 又称之为 Non 一 Heap 将之与 Heap 进行区分理解
( JDKS 之前的 Method Area 实现叫 Perm Space . JDKS 及之后的 Method Area 实现叫 Meta Space )
方法区内存不足时，将抛出 outofMemoryError

特性：线程共享

异常规定：OutOfMemoryError
当方法无法满足内存分配需求时会抛出OutOfMemoryError异常。

误区：方法区不等于永生代
很多人原因把方法区称作“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，只是HotSpot虚拟机垃圾回收器团队把GC分代收集扩展到了方法区，或者说是用来永久代来实现方法区而已，这样能省去专门为方法区编写内存管理的代码，但是在Jdk8也移除了“永久代”，使用Native Memory来实现方法区。

类及方法的信息等比较难确定其大小，因此对于永久代的大小指定比较困难，太小容易出现永久代溢出，太大则容易导致老年代溢出
移除永久代是为融合HotSpot JVM与 JRockit VM而做出的努力，因为JRockit没有永久代，不需要配置永久代
移除永久代的工作从JDK1.7就开始了。JDK1.7中，存储在永久代的部分数据就已经转移到了Java Heap或者是Native Heap。譬如符号引用(Symbols)转移到了native heap；字面量(interned strings)转移到了java heap；类的静态变量(class statics)转移到了java heap。

3.1.1 静态常量和字符串常量池是否总是在方法区

答案是否，jdk1.6中静态常量和字符串常量池是在方法区，jdk1.7以后移到了堆中。
见下图，注意静态常量和字符串常量池所在的区域变化：

3.1.2 jdk1.8模拟方法区内存不足异常

模拟过程如上图：

调小元数据空间参数： -XX MetaspaceSize=30M -XX MaxMetaspaceSize 30M
运行程序，报错：OutOfMemoryError：Metaspace

3.2 java堆

保存了对象的信息，该内存牵扯到释放问题（GC）;
生命周期也与jvm一致。

堆介绍：

堆的生命周期与 JVM 进程一致
堆是 Java 虚拟机运行时数据区共享数据区最大的区域
“几乎”所有的对象和数组都在堆中进行分配
堆是 JVM GC 工作重点区域
堆内存不足时，将抛出 OutofMemoryError

特性：线程共享

异常规定：OutOfMemoryError

如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆不可以再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError。

Java虚拟机规范规定，Java堆可以处在物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上连续即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现上也可以是固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是可扩展的，通过-Xmx和-Xms控制。

3.2.1 模拟堆内存溢出

模拟堆内存溢出过程：

调小堆内存参数：-Xms30M -Xmx30M
启动程序，报错OutOfMemoryError：GC overhead limit exceeded

这个错误是由于JVM花费太长时间执行GC且只能回收很少的堆内存时抛出的。根据Oracle官方文档，默认情况下，如果Java进程花费98%以上的时间执行GC，并且每次只有不到2%的堆被恢复，则JVM抛出此错误。换句话说，这意味着我们的应用程序几乎耗尽了所有可用内存，垃圾收集器花了太长时间试图清理它，并多次失败。

扩展链接:OutOfMemoryError系列（2）: GC overhead limit exceeded

3.3 java虚拟机栈

线程的私有空间，在每一次进行方法调用的时候都会存在有栈帧，采用先进后出的设计原则；

本地变量表：局部变量或形参——volatile关键字问题；
操作数栈：执行所有的方法计算操作；
常量池引用：String类实例、Integer类示例
返回地址：方法执行完毕后的恢复执行点；

特性：线程私有

栈介绍：

虚拟机栈的生命周期与执行的线程一致
虚拟机栈是当前执行线程独占空间．以栈的数据结构形式存在
虚拟机栈是线程运算执行的区域，它保存着一个线程调用方法的顺序和过程
被线程执行的方法都是以栈帧（ frame ）的结构压入虚拟机栈
当虚拟机栈的空间不够使用时，将报出 stackoverflowExecption

3.3.1 java虚拟机栈运行示意图

由上图，结合我们的程序运行顺序：main()——>calc()——>xxx()——>hashCode()——>xxx()——>calc()——>main()

所以先进后出，符合程序运行过程

异常规定：StackOverflowError、OutOfMemoryError

如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的栈深度就会抛出StackOverflowError异常。
如果虚拟机是可以动态扩展的，如果扩展时无法申请到足够的内存就会抛出OutOfMemoryError异常。

3.3.2 Stacks-方法的调用过程

3.3.3 模拟方法深度太深，导致栈溢出

示例：方法中调用其他方法深度太深，会导致StackOverflowError异常。

性能优化的点，递归或for循环深度太深可能会导致栈溢出。优化的点：调整jvm栈的大小

解决方法：

一般从代码层面解决，某个方法调用深度太深，看看能否避免
调整单个栈大小参数：-Xss30M -Xsx30M

3.4 本地方法栈

与java虚拟机栈功能类似，区别在于是为本地方法服务的；

特性：同虚拟机栈。

3.5 程序计数器

执行指令的一个顺序编码，该区域所占比率几乎可以忽略；

作用：记录当前线程执行的字节码行号，当线程再次抢到执行权后可以在上次的行号上继续执行。

程序计数器介绍：

一个很小内存区域用于保存当前线程所执行的字节码的行号（内存地址）

特点：

每一个线程都有自己私有的程序计数器
唯一一个没有 OOM 的区域 ·
生命周期与线程一致生命周期随着线程．线程启动而产生，线程结束而消亡

四、堆内存模型

jdk1.8及以后堆内存模型：

jdk1.8以前的堆内存模型：

4.1 年轻代

组成：一个eden（伊甸区）区，两个servivor（s区）区，一个virtrual（伸缩区）；

年轻代使用复制算法：

1.新的对象都会在eden区开辟，当eden区内存空间不足，会进行GC,在GC开始的时候，对象只存在Eden区和名为"Form"区的Servivor区，名为"To"的Servivor区是空的；

2.进行GC,Eden区的还存活对象全部复制到“To”，"Form"的还存活对象会根据年龄阈值（可以通过-XX:MaxTenuringThreshold来设置）来决定去向，年龄达到一定值，移到年老代，没有达到阈值，复制到"To"区；

3.这次GC后，Eden区和"Form"区已经清空了，"Form"和"To"会交换角色。不管怎么样，"To"区一定是空的；

4.GC会一直重复这样的过程，直到“To”区被填满，“To”区被填满之后，会将所有对象移动到年老代中。

另：如果新创建的对象的空间占用过大将被直接保存到老年代之中。

4.2 年老代

年老代主要保存时间周期长的对象，对象如果使用了application级别的缓存，缓存中的对象也会被移到年老代。

老年代回收算法：

“标记-清除”算法：先进行对象的第一次标记，在这段时间之内会暂停程序的执行（如果标记的时间长或者对象的内容过多），这个暂停的时间就会长；就会产生串行标记、并行标记使用问题；

“标记-压缩”算法：基于“标记-清除”算法，将零散的内存空间进行整理重新集合再分配；

4.3 Perm永久代

上面说了，方法区不能等同于永久代。但是也说了1.7及1.7以前是用永久代来实现方法区的，主要存class,method,filed对象。

这部分空间一般不会溢出，除非一次性加载了很多类。不过在涉及到热部署的应用服务器的时候，有时候会遇到java.lang.OutOfMemoryError : PermGen space 的错误，原因可能是重新部署后，类的class没有卸载掉，这样就造成了大量的class对象保存在了Perm，一般重启服务就可以解决。

在jdk1.8中变化最大的Perm区，用Metaspace（元数据空间）进行了替换。需要特别说明的是：Metaspace所占用的内存空间不是在虚拟机内部，而是在本地内存空间中，这也是与1.7的永久代最大的区别所在

4.4 Virtual伸缩区

最大内存和初始内存的差值，就是Virtual区。

4.5 为什么移除永久代

官网给出了解释：http://openjdk.java.net/jeps/122

This is part of the JRockit and Hotspot convergence effort. JRockitcustomers do not need to configure the permanent generation (since JRockitdoes not have a permanent generation) and are accustomed to not configuring the permanent generation.

移除永久代是为融合HotSpot JVM与 JRockit VM而做出的努力，因为JRockit没有永久代，不需要配置永久代。现实使用中，由于永久代内存经常不够用或发生内存泄露，爆出异常java.lang.OutOfMemoryError: PermGen。

基于此，将永久区废弃，而改用元空间，改为了使用本地内存空间