分享：关于 JVM 内存的 N 个问题和定位工具_windows jvm问题定位-优快云博客

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本文详细探讨了Java虚拟机中的内存区域，特别是Java堆内存结构，包括虚拟机栈、本地方法栈、方法区、直接内存、新生代和老年代，以及它们在内存溢出情况下的处理。同时介绍了内存监控工具的使用，如JConsole和JMap，并提到了Kafka架构的相关面试问题和学习资源。

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第二，Java虚拟机栈和本地方法栈，这两个区域的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务，在内存分配异常上是相同的。在JVM规范中，对Java虚拟机栈规定了两种异常：1.如果线程请求的栈大于所分配的栈大小，则抛出StackOverFlowError错误，比如进行了一个不会停止的递归调用；2. 如果虚拟机栈是可以动态拓展的，拓展时无法申请到足够的内存，则抛出OutOfMemoryError错误。

第三，直接内存。直接内存虽然不是虚拟机运行时数据区的一部分，但既然是内存，就会受到物理内存的限制。在JDK1.4中引入的NIO使用Native函数库在堆外内存上直接分配内存，但直接内存不足时，也会导致OOM。

第四，方法区。随着Metaspace元数据区的引入，方法区的OOM错误信息也变成了“java.lang.OutOfMemoryError:Metaspace”。对于旧版本的Oracle JDK，由于永久代的大小有限，而JVM对永久代的垃圾回收并不积极，如果往永久代不断写入数据，例如String.Intern()的调用，在永久代占用太多空间导致内存不足，也会出现OOM的问题，对应的错误信息为“java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space”

| 内存区域 | 是否线程私有 | 是否可能发生OOM |

| — | — | — |

| 程序计数器 | 是 | 否 |

| 虚拟机栈 | 是 | 是 |

| 本地方法栈 | 是 | 是 |

| 方法区 | 否 | 是 |

| 直接内存 | 否 | 是 |

| 堆 | 否 | 是 |

堆内存结构是怎么样的？

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可以借助一些工具来了解JVM的内存内容，具体到特定的内存区域，应该用什么工具去定位呢？

图形化工具。图形化工具的优点是直观，连接到Java进程后，可以显示堆内存、堆外内存的使用情况，类似的工具有**JConsole**,VisualVm等。
命令行工具。这类工具可以在运行时进行查询，包括jstat，jmap等，可以对堆内存、方法区等进行查看。定位线上问题时也多会使用这些工具。jmap也可以生成堆转储文件（Heap Dump）文件，如果是在linux上，可以将堆转储文件拉到本地来，使用Eclipse MAT进行分析，也可以使用jhap进行分析。

关于内存的监控与诊断，在后面会进行深入了解。现在来看下一个问题：堆内的结构是怎么的呢？

站在垃圾收集器的角度来看，可以把内存分为新生代与老年代。内存的分配规则取决于当前使用的是哪种垃圾收集器的组合，以及内存相关的参数配置。往大的方向说，对象优先分配在新生代的Eden区域，而大对象直接进入老年代。

第一, 新生代的Eden区域，对象优先分配在该区域，同时JVM可以为每个线程分配一个私有的缓存区域，称为TLAB（Thread Local Allocation Buffer），避免多线程同时分配内存时需要使用加锁等机制而影响分配速度。TLAB在堆上分配，位于Eden中。TLAB的结构如下：

// ThreadLocalAllocBuffer: a descriptor for thread-local storage used by

// the threads for allocation.

// It is thread-private at any time, but maybe multiplexed over

// time across multiple threads. The park()/unpark() pair is

// used to make it avaiable for such multiplexing.

class ThreadLocalAllocBuffer: public CHeapObj {

friend class VMStructs;

private:

HeapWord* _start; // address of TLAB

HeapWord* _top; // address after last allocation

HeapWord* _pf_top; // allocation prefetch watermark

HeapWord* _end; // allocation end (excluding alignment_reserve)

size_t _desired_size; // desired size (including alignment_reserve)

size_t _refill_waste_limit; // hold onto tlab if free() is larger than this

从本质上来说，TLAB的管理是依靠三个指针：start、end、top。start与end标记了Eden中被该TLAB管理的区域，该区域不会被其他线程分配内存所使用，top是分配指针，开始时指向start的位置，随着内存分配的进行，慢慢向end靠近，当撞上end时触发TLAB refill。因此内存中Eden的结构大体为：

第二、新生代的Survivor区域。当Eden区域内存不足时会触发Minor GC，也称为新生代GC，在Minor GC存活下来的对象，会被复制到Survivor区域中。我认为Survivor区的作用在于避免过早触发Full GC。如果没有Survivor，Eden区每进行一次Minor GC都把对象直接送到老年代，老年代很快便会内存不足引发Full GC。新生代中有两个Survivor区，我认为两个Survivor的作用在于提高性能，避免内存碎片的出现。在任何时候，总有一个Survivor是empty的，在发生Minor GC时，会将Eden及另一个的Survivor的存活对象拷贝到该empty Survivor中，从而避免内存碎片的产生。新生代的内存结构大体为：

第三、老年代。老年代放置长生命周期的对象，通常是从Survivor区域拷贝过来的对象，不过当对象过大的时候，无法在新生代中用连续内存的存放，那么这个大对象就会被直接分配在老年代上。一般来说，普通的对象都是分配在TLAB上，较大的对象，直接分配在Eden区上的其他内存区域，而过大的对象，直接分配在老年代上。

第四、永久代。如前面所说，在早起的Hotspot JVM中有老年代的概念，老年代用于存储Java类的元数据、常量池、Intern字符串等。在JDK8之后，就将老年代移除，而引入元数据区的概念。

第五、Vritual空间。前面说过，可以使用Xms与Xmx来指定堆的最小与最大空间。如果Xms小于Xmx，堆的大小不会直接扩展到上限，而是留着一部分等待内存需求不断增长时，再分配给新生代。Vritual空间便是这部分保留的内存区域。

那么综上所述，可以画出Java堆内的内存结构大体为：

通过一些参数，可以来指定上述的堆内存区域的大小：

-Xmx value 指定最大的堆大小

-Xms value 指定初始的最小堆大小

-XX:NewSize = value 指定新生代的大小

-XX：NewRatio = value 老年代与新生代的大小比例。默认情况下，这个比例是2，也就是说老年代是新生代的2倍大。老年代过大的时候，Full GC的时间会很长；老年代过小，则很容易触发Full GC，Full GC频率过高，这就是这个参数会造成的影响。

-XX：SurvivorRation = value . 设置Eden与Srivivor的大小比例，如果该值为8，代表一个Survivor是Eden的1/8，是整个新生代的1/10。

常用的性能监控与问题定位工具有哪些？

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在系统的性能分析中，CPU、内存与IO是主要的关注项。很多时候服务出现问题，在这三者上会体现出现，比如CPU飙升，内存不足发生OOM等，这时候需要使用对应的工具，来对性能进行监控，对问题进行定位。

对于CPU的监控，首先可以使用top命令来进行查看，下面是使用top查看负载的一个截图：

load average 代表1分钟、5分钟、15分钟的系统平均负载，从这三个数字，可以判断系统负荷是大还是小。当CPU完全空闲的时候，平均负荷为0；当CPU工作量饱和的时候，平均负荷为1。因此 load average 这三个数值越低，代表系统负荷越小，那么什么时候能看出系统负荷比较重呢？这篇文章（Understanding Linux CPU Load - when should you be worried）里解释得非常通俗。如果电脑里只有一个CPU，把CPU看成一条单行桥，桥上只有一个车道，所有的车都必须从这个桥上通过。那么