1-JVM 运行参数和内存模型

最新推荐文章于 2023-07-09 22:26:11 发布

liuhehe321

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分类专栏： JVM

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/nmjhehe/article/details/89365224

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本文深入探讨JVM的运行模式、参数设置、内存模型及其在不同操作系统下的表现，涵盖堆栈设置、垃圾回收策略、内存区域划分等内容。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

JVM学习~

https://www.bilibili.com/video/av45092487?from=search&seid=1467414464079637031

https://www.bilibili.com/video/BV1yE411Z7AP?t=415&p=149 非常好

JVM Server与Client运行模式

可以通过-server或-client设置jvm的运行参数。它们的区别是Server VM的初始堆空间会大一些，默认使用的是并行垃圾回收器，启动慢运行快。
Client VM相对来讲会保守一些，初始堆空间会小一些，使用串行的垃圾回收器，它的目标是为了让JVM的启动速度更快，但运行速度会比Serverm模式慢些。JVM在启动的时候会根据硬件和操作系统自动选择使用Server还是Client类型的JVM。
32位操作系统

如果是Windows系统，不论硬件配置如何，都默认使用Client类型的JVM。如果是其他操作系统上，机器配置有2GB以上的内存同时有2个以上CPU的话默认使用server模式，否则使用client模式。

64位操作系统

只有server类型，不支持client类型

[root@node01 test]# java ‐client ‐showversion TestJVM
java version "1.8.0_141"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_141‐b15)
Java HotSpot(TM) 64‐Bit Server VM (build 25.141‐b15, mixed mode)
itcast
[root@node01 test]# java ‐server ‐showversion TestJVM
java version "1.8.0_141"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_141‐b15)
Java HotSpot(TM) 64‐Bit Server VM (build 25.141‐b15, mixed mode)
itcast
#由于机器是64位系统，所以不支持client模式

JVM常用运行参数：

初级参数：

堆栈设置

-Xss:每个线程的栈大小

-Xms:初始堆大小，默认物理内存的1/64

-Xmx:最大堆大小，默认物理内存的1/4

-Xmn:新生代大小

-XX:NewSize:设置新生代初始大小

-XX:NewRatio:默认2表示新生代占年老代的1/2，占整个堆内存的1/3。

-XX:SurvivorRatio:默认8表示一个survivor区占用1/8的Eden内存，即1/10的新生代内存。

-XX:MetaspaceSize:设置元空间大小

-XX:MaxMetaspaceSize:设置元空间最大允许大小，默认不受限制，JVM Metaspace会进行动态扩展。

垃圾回收统计信息

-XX:+PrintGC

-XX:+PrintGCDetails

-XX:+PrintGCTimeStamps

-Xloggc:filename

示例

 -Xms512m -Xmx512m -Xss256k -XX:MaxDirectMemorySize=256m -XX:+UseParallelOldGC -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:+PrintGCDetails -verbose:gc -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:gc.log

高级参数：

收集器设置

-XX:+UseSerialGC:设置串行收集器

-XX:+UseParallelGC:设置并行收集器

-XX:+UseParallelOldGC:老年代使用并行回收收集器

-XX:+UseParNewGC:在新生代使用并行收集器

-XX:+UseParalledlOldGC:设置并行老年代收集器

-XX:+UseConcMarkSweepGC:设置CMS并发收集器

-XX:+UseG1GC:设置G1收集器

-XX:ParallelGCThreads:设置用于垃圾回收的线程数

并行收集器设置

-XX:ParallelGCThreads:设置并行收集器收集时使用的CPU数。并行收集线程数。

-XX:MaxGCPauseMillis:设置并行收集最大暂停时间

-XX:GCTimeRatio:设置垃圾回收时间占程序运行时间的百分比。公式为1/(1+n)

CMS收集器设置

-XX:+UseConcMarkSweepGC:设置CMS并发收集器

-XX:+CMSIncrementalMode:设置为增量模式。适用于单CPU情况。

-XX:ParallelGCThreads:设置并发收集器新生代收集方式为并行收集时，使用的CPU数。并行收集线程数。

-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction:设定进行多少次CMS垃圾回收后，进行一次内存压缩

-XX:+CMSClassUnloadingEnabled:允许对类元数据进行回收

-XX:UseCMSInitiatingOccupancyOnly:表示只在到达阀值的时候，才进行CMS回收

-XX:+CMSIncrementalMode:设置为增量模式。适用于单CPU情况

-XX:ParallelCMSThreads:设定CMS的线程数量

-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction:设置CMS收集器在老年代空间被使用多少后触发

-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection:设置CMS收集器在完成垃圾收集后是否要进行一次内存碎片的整理

G1收集器设置

-XX:+UseG1GC:使用G1收集器

-XX:ParallelGCThreads:指定GC工作的线程数量

-XX:G1HeapRegionSize:指定分区大小(1MB~32MB，且必须是2的幂)，默认将整堆划分为2048个分区

-XX:GCTimeRatio:吞吐量大小，0-100的整数(默认9)，值为n则系统将花费不超过1/(1+n)的时间用于垃圾收集

-XX:MaxGCPauseMillis:目标暂停时间(默认200ms)

-XX:G1NewSizePercent:新生代内存初始空间(默认整堆5%)

-XX:G1MaxNewSizePercent:新生代内存最大空间

-XX:TargetSurvivorRatio:Survivor填充容量(默认50%)

-XX:MaxTenuringThreshold:最大任期阈值(默认15)

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercen:老年代占用空间超过整堆比IHOP阈值(默认45%),超过则执行混合收集

-XX:G1HeapWastePercent:堆废物百分比(默认5%)

-XX:G1MixedGCCountTarget:参数混合周期的最大总次数(默认8)

JVM内存模型

程序计数器（线程私有）：

就是一个指针，指向方法区中的方法字节码（用来存储指向下一条指令的地址,也即将要执行的指令代码），由执行引擎读取下一条指令，是一个非常小的内存空间

作用，是记住下一条jvm指令的执行地址
特点

是线程私有的
不会存在内存溢出

作用：

执行顺序：jvm指令->解释器->机器码->CPU执行

虚拟机栈：

也叫Java栈： Java线程执行方法的内存模型，一个线程对应一个栈，每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息）不存在垃圾回收问题，只要线程一结束该栈就释放，生命周期和线程一致

• JVM 对该区域规范了两种异常：

1) 线程请求的栈深度大于虚拟机栈所允许的深度，将抛出StackOverFlowError异常（递归）

2) 若虚拟机栈可动态扩展，当无法申请到足够内存空间时将抛出OutOfMemoryError，通过jvm参数–Xss指定栈空间，空间大小决定函数调用的深度（栈帧过大导致栈内存溢出很少见） 64位操作系统栈空间大小一般1M

问题辨析

垃圾回收是否涉及栈内存？不需要，栈帧内存在每次方法调用结束后会被函数栈自动回收
栈内存分配越大越好吗？不是，栈内存变大只是增大递归次数，但是却减少了线程数。例如，一个栈内存大小时为1M,物理内存有500M，就是500个线程，若占内存大小变为2M，线程数变为250个
方法内的局部变量是否线程安全？
- 如果方法内局部变量没有逃离方法的作用访问，它是线程安全的
- 如果是局部变量引用了对象，并逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全

本地方法栈：

登记native方法，在Execution Engine执行时加载本地方法库，比如被native修饰的函数，底层调用c/c++函数类库。

比如object对象的：

public final native Class<?> getClass();

protected native Object clone() throws CloneNotSupportedException;

public final native void notify();

public final native void notifyAll();

堆内存模型

通过 new 关键字，创建对象都会使用堆内存
它是线程共享的，堆中对象都需要考虑线程安全的问题
有垃圾回收机制

jvm的内存模型在1.7和1.8有较大的区别，虽然本套课程是以1.8为例进行讲解，但是我们也是需要对1.7的内存模型有所了解，所以接下里，我们将先学习1.7再学习1.8的内存模型

jdk1.7的内存模型

Young 年轻区（代）

Young区被划分为三部分，Eden区和两个大小严格相同的Survivor区，Survivor幸存区有两个：From区（Survivor 0 space）和To区（Survivor 1 space）

在Survivor区间中，某一时刻只有其中一个是被使用的，另外一个留做垃圾收集时复制对象用，在Eden区间变满的时候，，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对Eden区进行垃圾回收(Minor GC)，将Eden区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁。然后将Eden区中的剩余对象移动到Survivor From区，若幸存 From区也满了，再对该区进行垃圾回收，然后将存活的对象移动到Survivor To区，并将Survivor From清空；此时From和To区交换角色，Eden区再有存活对象时，需要移动到Survivor From了，此时From和To区交换角色，也就是新的“To”就是上次GC前的“From”，新的“From”就是上次GC前
的“To”,交替上述过程，根据JVM的策略，Survivor区在经过几次垃圾收集后（默认是15次，可以通过-XX:MaxTenuringThreshold参数设定），任然存活于Survivor的对象将被移动到Tenured区间。

Tenured 年老区

Tenured区主要保存生命周期长的对象，一般是一些老的对象，当一些对象在Young复制转移一定的次数以后，对象就会被转移到Tenured区，一般如果系统中用了application级别的缓存，缓存中的对象往往会被转移到这一区间。若老年区也满了，那么这个时候将产生MajorGC（FullGC），进行老年区的内存清理。若老年区执行了Full GC之后发现依然无法进行对象的保存，就会产生OOM异常“OutOfMemoryError”

Perm 永久区

Perm代主要保存class,method,filed对象，这部份的空间一般不会溢出，除非一次性加载了很多的类，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，造成这个错误的很大原因
就有可能是每次都重新部署，但是重新部署后，类的class没有被卸载掉，这样就造成了大量的class对象保存在了perm中，这种情况下，一般重新启动应用服务器可以解决问题。

Virtual区：

最大内存和初始内存的差值，就是Virtual区

jdk1.8的堆内存模型

由上图可以看出，jdk1.8的内存模型是由2部分组成，年轻代 + 年老代。
年轻代：Eden + 2*Survivor
年老代：OldGen
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

从堆内存分配大小维度看，年轻代和老年代默认分别占用堆内存总量的1/3和2/3；eden区默认占用年轻代的8/10，Survivor0和Survivor1各占年轻代1/10

Metaspace详细解析：

元数据区：元数据区取代了永久代(jdk1.8以前)，本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现，区别在于元数据区并不在虚拟机中，而是使用本地物理内存，永久代在虚拟机中，永久代逻辑结构上属于堆，但是物理上不属于堆，堆大小=新生代+老年代。元数据区也有可能发生OutOfMemory异常。

Jdk1.6及之前：有永久代, 常量池在方法区

Jdk1.7：有永久代，但已经逐步“去永久代”，常量池在堆

Jdk1.8及之后：无永久代，常量池在元空间

元数据区的动态扩展，默认–XX:MetaspaceSize值为21MB的高水位线。一旦触及则Full GC将被触发并卸载没有用的类（类对应的类加载器不再存活），然后高水位线将会重置。新的高水位线的值取决于GC后释放的元空间。如果释放的空间少，这个高水位线则上升。如果释放空间过多，则高水位线下降。

为什么jdk1.8用元数据区取代了永久代？

官方解释：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

方法区(线程共享)：

类的所有字段和方法字节码，以及一些特殊方法如构造函数，接口代码也在此定义。简单说，所有定义的方法的信息都保存在该区域，静态变量+常量+类信息(构造方法/接口定义)+运行时常量池都存在方法区中，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

JVM规范-方法区定义

Java虚拟机有一个方法区域，在所有Java虚拟机线程之间共享。方法区域类似于常规语言编译代码的存储区域，或者类似于操作系统进程中的“文本”段。它存储每类结构，如运行时常量池、字段和方法数据，以及方法和构造函数的代码，包括在类和实例初始化以及接口初始化中使用的特殊方法（§2.9）。

方法区域是在虚拟机启动时创建的。尽管方法区域在逻辑上是堆的一部分，但是简单的实现可以选择不垃圾收集或压缩它。此规范不强制指定用于管理已编译代码的方法区域或策略的位置。方法区域可以是固定大小的，或者可以根据计算的需要进行扩展，并且如果不需要更大的方法区域，则可以收缩。方法区域的内存不需要是连续的。

Java虚拟机实现可以向程序员或用户提供对方法区域的初始大小的控制，并且，在大小不同的方法区域的情况下，还可以提供对最大和最小方法区域大小的控制。

以下例外情况与方法区域相关：

如果方法区域中的内存无法满足分配请求，Java虚拟机将抛出OutOfMemoryError。

方法区内存溢出：

1.8 以前会导致永久代内存溢出

* 演示永久代内存溢出  java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
* -XX:MaxPermSize=8m

1.8 之后会导致元空间内存溢出

元空间内存溢出 java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace

package cn.itcast.jvm.t1.metaspace;

import jdk.internal.org.objectweb.asm.ClassWriter;
import jdk.internal.org.objectweb.asm.Opcodes;

/**
 * 演示元空间内存溢出 java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
 * -XX:MaxMetaspaceSize=8m
 */
public class Demo1_8 extends ClassLoader { // 可以用来加载类的二进制字节码
    public static void main(String[] args) {
        int j = 0;
        try {
            Demo1_8 test = new Demo1_8();
            for (int i = 0; i < 10000; i++, j++) {
                // ClassWriter 作用是生成类的二进制字节码
                ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
                // 版本号， public， 类名, 包名, 父类， 接口
                cw.visit(Opcodes.V1_8, Opcodes.ACC_PUBLIC, "Class" + i, null, "java/lang/Object", null);
                // 返回 byte[]
                byte[] code = cw.toByteArray();
                // 执行了类的加载
                test.defineClass("Class" + i, code, 0, code.length); // Class 对象
            }
        } finally {
            System.out.println(j);
        }
    }
}

5411
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
   at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
   at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:760)
   at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:642)
   at cn.itcast.jvm.t1.metaspace.Demo1_8.main(Demo1_8.java:23)

运行时常量池

常量池，就是一张表，虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量等信息

实例，一段简单的HelloWrold程序反编译后的结果

// 二进制字节码（类基本信息，常量池，类方法定义，包含了虚拟机指令）
public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello world");
    }
}

F:\视频-解密JVM\资料 解密JVM\代码\jvm\jvm\src\cn\itcast\jvm\t5>javap -v HelloWorld.class
Classfile /F:/视频-解密JVM/资料 解密JVM/代码/jvm/jvm/src/cn/itcast/jvm/t5/HelloWorld.class
  Last modified 2020-4-26; size 442 bytes
  MD5 checksum 103606e24ec918e862312533fda15bbc
  Compiled from "HelloWorld.java"
public class cn.itcast.jvm.t5.HelloWorld
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
  ===================类的基本信息========================
Constant pool:
   #1 = Methodref          #6.#15         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #16.#17        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = String             #18            // hello world
   #4 = Methodref          #19.#20        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   #5 = Class              #21            // cn/itcast/jvm/t5/HelloWorld
   #6 = Class              #22            // java/lang/Object
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               main
  #12 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #13 = Utf8               SourceFile
  #14 = Utf8               HelloWorld.java
  #15 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #16 = Class              #23            // java/lang/System
  #17 = NameAndType        #24:#25        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #18 = Utf8               hello world
  #19 = Class              #26            // java/io/PrintStream
  #20 = NameAndType        #27:#28        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #21 = Utf8               cn/itcast/jvm/t5/HelloWorld
  #22 = Utf8               java/lang/Object
  #23 = Utf8               java/lang/System
  #24 = Utf8               out
  #25 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #26 = Utf8               java/io/PrintStream
  #27 = Utf8               println
  #28 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
  //类方法的定义
{
  public cn.itcast.jvm.t5.HelloWorld();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 4: 0

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         //jvm的指令
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #3                  // String hello world
         5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return
      LineNumberTable:
        line 6: 0
        line 7: 8
}
SourceFile: "HelloWorld.java"

运行时常量池，常量池是 *.class 文件中的，当该类被加载，它的常量池信息就会放入运行时常量池，并把里面的符号地址变为真实地址

直接内存

定义

Direct Memory
常见于 NIO 操作时，用于数据缓冲区
分配回收成本较高，但读写性能高
不受 JVM 内存回收管理

使用io读写时的原理：

使用NIO读写时原理：

package cn.itcast.jvm.t1.direct;

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

/**
 * 演示 ByteBuffer 作用
 */
public class Demo1_9 {
    static final String FROM = "E:\\编程资料\\第三方教学视频\\youtube\\Getting Started with Spring Boot-sbPSjI4tt10.mp4";
    static final String TO = "E:\\a.mp4";
    static final int _1Mb = 1024 * 1024;

    public static void main(String[] args) {
        io(); // io 用时：1535.586957 1766.963399 1359.240226
        directBuffer(); // directBuffer 用时：479.295165 702.291454 562.56592
    }

    private static void directBuffer() {
        long start = System.nanoTime();
        try (FileChannel from = new FileInputStream(FROM).getChannel();
             FileChannel to = new FileOutputStream(TO).getChannel();
        ) {
            ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocateDirect(_1Mb);
            while (true) {
                int len = from.read(bb);
                if (len == -1) {
                    break;
                }
                bb.flip();
                to.write(bb);
                bb.clear();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        long end = System.nanoTime();
        System.out.println("directBuffer 用时：" + (end - start) / 1000_000.0);
    }

    private static void io() {
        long start = System.nanoTime();
        try (FileInputStream from = new FileInputStream(FROM);
             FileOutputStream to = new FileOutputStream(TO);
        ) {
            byte[] buf = new byte[_1Mb];
            while (true) {
                int len = from.read(buf);
                if (len == -1) {
                    break;
                }
                to.write(buf, 0, len);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        long end = System.nanoTime();
        System.out.println("io 用时：" + (end - start) / 1000_000.0);
    }
}

分配和回收原理

使用了 Unsafe 对象完成直接内存的分配回收，并且回收需要主动调用 freeMemory 方法
ByteBuffer 的实现类内部，使用了 Cleaner （虚引用）来监测 ByteBuffer 对象，一旦ByteBuffer 对象被垃圾回收，那么就会由 ReferenceHandler 线程通过 Cleaner 的 clean 方法调用 freeMemory 来释放直接内存

package cn.itcast.jvm.t1.direct;

import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;

/**
 * 禁用显式回收对直接内存的影响
 */
public class Demo1_26 {
    static int _1Gb = 1024 * 1024 * 1024;

    /*
     * -XX:+DisableExplicitGC 显式的
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(_1Gb);
        System.out.println("分配完毕...");
        System.in.read();
        System.out.println("开始释放...");
        byteBuffer = null;
        System.gc(); // 显式的垃圾回收，Full GC
        System.in.read();
    }
}