JVM 系列（二）内存模型

02 JVM 系列（二）内存模型

一、JVM 内存区域

JVM 会将 Java 进程所管理的内存划分为若干不同的数据区域。这些区域有各自的用途、创建/销毁时间:

一、 线程私有区域

线程私有数据区域生命周期与线程相同，依赖用户线程的启动/结束而创建/销毁(在 Hotspot VM 内，每个线程都与操作系统的本地线程直接映射，因此这部分内存区域的存/否跟随本地线程的生/死)。

(1) Program Counter Register(程序计数器)

Java 虚拟机会为每个线程创建 PC 寄存器，在任意时刻，一个 java 线程总是在执行一个方法，这个方法被称为当前方法。

如果当前方法不是本地方法，PC 寄存器就会执行当前正在被执行的指令，如果是本地方法，则 PC 寄存器值为 undefined，寄存器存放如当前执行环境指针、程序计数器、操作栈指针、计算的变量指针等信息。

这个内存区域是唯一一个在虚拟机中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

(2) Java Stack(虚拟机栈)

虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的内存模型 ：每个方法被执行时会创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法被调用至返回的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程(VM 提供了 -Xss 来指定线程的最大栈空间，该参数也直接决定了函数调用的最大深度)。

如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，则 StackOverflowError。如果虚拟机栈可以动态扩展，扩展到无法申请足够的内存，则 OutOfMemoryError。

(3) Native Method Stack(本地方法栈)

本地方法栈和 Java 栈非常类似，区别是 Java Stack 为执行 Java 方法服务，而 本地方法栈则为 Native 方法服务 (Java 虚拟机允许 Java 直接调用本地方法，通常使用 C 编写)。

也会抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError。

二、 线程共享区域

随虚拟机的启动/关闭而创建/销毁。

(1) Heap(Java 堆)

Java 虚拟机启动的时候建立 Java 堆，几乎所有对象实例和数组都要在堆上分配(栈上分配、标量替换除外)，因此是 VM 管理的最大一块内存，也是垃圾收集器的主要活动区域。由于现代 VM 采用分代收集算法，因此 Java 堆从 GC 的角度还可以细分为: 新生代(Eden 区、From Survivor 区和 To Survivor 区)和老年代；而从内存分配的角度来看，线程共享的 Java 堆还还可以划分出多个线程私有的分配缓冲区(TLAB)。而进一步划分的目的是为了更好地回收内存和更快地分配内存。

堆可以按照可扩展来实现：-Xmx(最大内存) 和 -Xms(初始化内存)

当堆中没有内存可以分配给实例，也无法再扩展时，则抛出 OutOfMemoryError 异常。

(2) Method Area(方法区)

即我们常说的永久代(Permanent Generation)，用于存储被 JVM 加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。 HotSpot VM 把 GC 分代收集扩展至方法区，即使用 Java 堆的永久代来实现方法区，这样 HotSpot 的垃圾收集器就可以像管理 Java 堆一样管理这部分内存，而不必为方法区开发专门的内存管理器(永久带的内存回收的主要目标是针对常量池的回收和类型的卸载，因此收益一般很小)

当方法区无法满足内存分配需求时，则抛出 OutOfMemoryError 异常。

JDK1.7 中，已经把放在永久代的字符串常量池移到堆中。JDK1.8 撤销永久代，引入元空间。

(3) 运行时常量池

是方法区的一部分，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，另外运行期间也可能将新的常量放入池中，如 String 的 intern() 方法。当常量池无法再申请到内存时，则抛出 OutOfMemoryError 异常。

三、 直接内存

直接内存并不是 JVM 运行时数据区的一部分，但也会被频繁的使用：在 JDK 1.4 引入的 NIO 提供了基于 Channel 与 Buffer 的 IO 方式， 它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后使用 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作，这样就避免了在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据，因此在一些场景中可以显著提高性能。

显然，本机直接内存的分配不会受到 Java 堆大小的限制(即不会遵守 -Xms、-Xmx 等设置)，但既然是内存， 则肯定还是会受到本机总内存大小及处理器寻址空间的限制，因此动态扩展时也会出现 OutOfMemoryError 异常。

总结：

名称	特征	作用	配置	异常
栈区	线程私有，使用一段连续的内存空间	存放局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口	-Xss	StackOverflowError OutOfMemoryError
堆	线程共享，生命周期与虚拟机相同	保存对象实例	-Xms -Xmx -Xmn	OutOfMemoryError
程序计数器	线程私有、占用内存小	字节码行号	无	无
方法区	线程共享	存储类加载信息、常量、静态变量等	-XX:PermSize -XX:MaxPermSize	OutOfMemoryError

二、java 堆和 GC

java 堆是和 java 应用程序关系最密切的内存空间，几乎所有的对象都存放在其中，并且 java 堆完全是自动化管理的，通过垃圾回收机制，垃圾对象会自动清理，不需要显示地释放。 Java 中的堆也是 GC 收集垃圾的主要区域。

根据垃圾回收机制不同，其中堆有可能拥有不同的结构：

1. java 堆分为新生代和老年代。新生代存放新生的对象或者年龄不大的对象，老年代则存放老年对象。
2. 堆大小 = 新生代 + 老年代。其中，堆的大小可以通过参数 –Xms、-Xmx 来指定。新生代与老年代的比例通过参数 –XX:NewRatio 来指定。
3. 新生代分为 eden 区、s0 区、s1 区，s0 和 s1 也被称为 from 和 to 区域，他们是两块大小相等并且可以互换角色的空间。Edem与from的比例通过参数 –XX:SurvivorRatio 来指定。
4. Minor GC 采用的是复制算法，将还存活的对象从 s0 拷贝到 s1 区。
5. 绝大多数情况下，对象首先分配在 eden 区，在一次新生代回收后，如果对象还存活，则会进入 s0 或者 s1 区，之后每经过一次新生代向收，如果对象存活则它的年龄就加 1。

三、参数配置

参数	说明
-Xms	初始堆大小。如：-Xms256m
-Xmx	最大堆大小。如：-Xmx512m
-Xmn	新生代大小。通常为 Xmx 的 1/3 或 1/4。新生代 = Eden + 2 个 Survivor 空间。实际可用空间为 = Eden + 1 个 Survivor，即 90%
-Xss	JDK1.5+ 每个线程堆栈大小为 1M，一般来说如果栈不是很深的话， 1M 是绝对够用了的。
-XX:NewRatio	新生代与老年代的比例，默认值 –XX:NewRatio=2，则新生代占整个堆空间的1/3，老年代占2/3
-XX:SurvivorRatio	新生代中 Eden 与 Survivor 的比值。默认值为 8。即 Eden 占新生代空间的 8/10，另外两个 Survivor 各占 1/10
-XX:PermSize	永久代(方法区)的初始大小
-XX:MaxPermSize	永久代(方法区)的最大值
-XX:+PrintGC	打印 GC 信息
-XX:+PrintGCDetails	打印 GC 信息
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError	让虚拟机在发生内存溢出时 Dump 出当前的内存堆转储快照，以便分析用

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