java的程序虚拟内存 jvm 虚拟内存

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桃太郎 2024-03-04 09:35:36

文章标签 java的程序虚拟内存 jvm java 编程语言 Java 文章分类 Java 后端开发

一、基本概念

JVM,Java Virtual Machine（即Java虚拟机），是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机。

二、JVM内存模型

2.1 运行时内存区域

Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它管理的内存划分成若干个不同的数据区域

（1）jdk1.8之前：

java的程序虚拟内存 jvm 虚拟内存_Java

jdk1.8之后：方法区变成了元空间

java的程序虚拟内存 jvm 虚拟内存_java_02

2.2 内存区域划分和基本概念：

线程间公有的：堆、方法区（元空间）、直接内存

线程间私有的：程序计数器、本地方法栈、虚拟机栈

堆内存：

堆是JVM所管理的内存区域中最大的一块，为所有线程所共享。主要用处是用来存储new 出来的对象实例，几乎所有的对象实例以及数组都会在这里被分配。
Java堆，是垃圾回收的主要区域，所以也被成为GC堆。

方法区：

主要用来存储虚拟机加载出来的类信息、常量、静态变量，运行时常量池，以及即时编译出来的代码等信息。
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。方法区也被为永久代。

虚拟机栈：

虚拟机栈的生命周期和线程相同，描述的是 Java 方法执行的内存模型，每次方法调用的数据都是通过栈传递的
虚拟机栈主要由栈桢组成，方法间的调用和返回实际上是一个压栈和出栈的过程。每个栈桢由局部变量表、操作数栈、动态链接和方法出组成。
虚拟机栈主要用来存储各种基本类型（byte、short、int、double、boolean、boolean、char、float、double）、对象引用（reference 类型，它不同于对象本身，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的位置）

虚拟机栈常报的两个错：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。

StackOverFlowError：若 Java 虚拟机栈的内存大小不允许动态扩展，那么当线程请求栈的深度超过当前 Java 虚拟机栈的最大深度的时候，就抛出 StackOverFlowError 错误。
OutOfMemoryError：若 Java 虚拟机栈的内存大小允许动态扩展，且当线程请求栈时内存用完了，无法再动态扩展了，此时抛出 OutOfMemoryError 错误

本地方法栈：

主要存放了为虚拟机底层使用的各种Native方法服务

程序计数器：

程序计数器，是一块较小的内存空间，可以看成是当前线程执行的字节码的行号指示器。
主要作用：

字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制，如：顺序执行、选择、循环、异常处理。
在多线程的情况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置，从而当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运行到哪儿了。

运行时常量池：

运行时常量池，是方法区的一部分，class文件中不光有类的版本、字段名称、方法名称接口等描述信息，还有常量池信息（用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用）

JDK1.7 及之后版本的 JVM 已经将运行时常量池从方法区中移了出来，在 Java 堆（Heap）中开辟了一块区域存放运行时常量池。

java的程序虚拟内存 jvm 虚拟内存_jvm_03

直接内存：

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁地使用。而且也可能导致 OutOfMemoryError 错误出现。

JDK1.4 中新加入的 NIO(New Input/Output) 类，引入了一种基于通道（Channel）与缓存区（Buffer）的 I/O 方式，它可以直接使用 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。这样就能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在 Java 堆和 Native 堆之间来回复制数据。

本机直接内存的分配不会受到 Java 堆的限制，但是，既然是内存就会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。

三、堆内存划分及垃圾回收时的内存分配

3.1堆内存划分

在 JDK 7 版本及JDK 7 版本之前，堆内存被通常被分为下面三部分：

新生代(Young Generation)
老年代(Old Generation)
永久代(Permanent Generation)

新生代又分为Dden区和 Survivor区。Survivor区分为 From Space（s0）和To Space（s1）

一般情况下：

新生代 ( Young ) 与老年代 ( Old ) 的比例的值为 1:2

新生代的内存占用比例为 eden：s0：s1 = 8：1：1

java的程序虚拟内存 jvm 虚拟内存_Java_04

JDK 8 版本之后方法区（HotSpot 的永久代）被彻底移除了（JDK1.7 就已经开始了），取而代之是元空间，元空间使用的是直接内存。

java的程序虚拟内存 jvm 虚拟内存_Java_05

3.2 JVM垃圾回收过程

由于现在收集器基本都采用分代垃圾收集算法，所以在进行GC的时候，新生代和老年代都会经历一下步骤：

新生代：
目前大部分 JVM 的 GC 对于新生代都采取 Copying 算法，因为新生代中每次垃圾回收都要
回收大部分对象，即要复制的操作比较少，但通常并不是按照 1：1 来划分新生代。
老年代：
老年代因为每次只回收少量对象，因而采用 Mark-Compact 算法。

分代回收的过程：

首先，在创建对象的时候，实例对象基本都会被分配在Eden区，Survivor区是空的。

（1）在进行第一次GC时，当新生代的 Eden Space 就会发生一次 GC，幸存下来的对象被复制到s0区，Eden 区都会被清理掉。

（2）在进行下一次GC的时候，触发时机是 Eden Space 和s0内存不足。与（1）不同的是，此次幸存的下来的对象，以及把上次 GC移到 S0 中的对象会被复制到s1区，并且对象的年龄还会加 1（Eden 区->Survivor 区后对象的初始年龄变为 1)。这时，Eden区和s0都会被清理掉。

（3）当s0无法足够存储某个对象，则将这个对象存储到老年代。

（4）当年龄增加到一定程度（默认15，可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 配置），这个对象就从年轻代转移到了老年代。

这样，老年代中的对象就持续增加。
（5）触发 major gc 对老年代空间进行清理和压缩。

注：不是永远要求新生代年龄达到阈值才能被移到年老代
如果 Survivor 空间中相同年龄所有对象大小的总和大于 Survivor 空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代，无需达到要求的年龄。

3.3 报错OOM(OutOfMemoryError)

OutOfMemoryError: GC Overhead Limit Exceeded ：当JVM花太多时间执行垃圾回收并且只能回收很少的堆空间时，就会发生此错误。
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space :假如在创建新的对象时, 堆内存中的空间不足以存放新创建的对象, 就会引发java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space 错误。(和本机物理内存无关，和你配置的对内存大小有关！)

四、方法区和永久代

4.1方法区和永久代的关系

方法区和永久代的关系很像 Java 中接口和类的关系，类实现了接口，而永久代就是 HotSpot 虚拟机对虚拟机规范中方法区的一种实现方式。 也就是说，永久代是 HotSpot 的概念，方法区是 Java 虚拟机规范中的定义，是一种规范，而永久代是一种实现，一个是标准一个是实现，其他的虚拟机实现并没有永久代这一说法。

4.2 jdk1.8为什么要把永久代替换成元空间

（1）整个永久代有一个 JVM 本身设置固定大小上限，无法进行调整，而元空间使用的是直接内存，受本机可用内存的限制，虽然元空间仍旧可能溢出，但是比原来出现的几率会更小。

当你元空间溢出时会得到如下错误： java.lang.OutOfMemoryError: MetaSpace

JDK8之前，在JVM启动之前通过在命令行设置参数XX:MaxPermSize来设定永久代最大可分配的内存空间，默认大小是64M
JDK8之后，使用 -XX：MaxMetaspaceSize 标志设置最大元空间大小，默认值为 unlimited，这意味着它只受系统内存的限制。-XX：MetaspaceSize 调整标志定义元空间的初始大小如果未指定此标志，则 Metaspace 将根据运行时的应用程序需求动态地重新调整大小。

（2）元空间里面存放的是类的元数据，这样加载多少类的元数据就不由 MaxPermSize 控制了, 而由系统的实际可用空间来控制，这样能加载的类就更多了。

（3）在 JDK8，合并 HotSpot 和 JRockit 的代码时, JRockit 从来没有一个叫永久代的东西, 合并之后就没有必要额外的设置这么一个永久代的地方了。