JVM 簡單入門 概述

一文看懂 JVM內存劃分

1. 概述

對於從事C、C++程序開發的開發人員來說，在內存管理領域，他們既是擁有最高權力的“皇帝”， 又是從事最基礎工作的勞動人民——既擁有每一個對象的“所有權”，又擔負着每一個對象生命從開始 到終結的維護責任。

對於Java程序員來說，在虛擬機自動內存管理機制的幫助下，不再需要爲每一個new操作去寫配delete/free代碼，不容易出現內存泄漏和內存溢出問題，看起來由虛擬機管理內存一切都很美好。不 過，也正是因爲Java程序員把控制內存的權力交給了Java虛擬機，一旦出現內存泄漏和溢出方面的問 題，如果不瞭解虛擬機是怎樣使用內存的，那排查錯誤、修正問題將會成爲一項異常艱難的工作。

2. 運行時的數據區域（ HotSpot虛擬機）

要想了解jvm怎麼執行java程序幫我們回收內存，首先要先了解jvm執行是的數據區域。Java 虛擬機在執行 Java 程序的過程中會把它管理的內存劃分成若干個不同的數據區域。

JDK1.8和之前版本不同，看圖。從JDK1.6開始就開始去方法區（永久代）化，到1.8之後出現了元空間。

JDK 1.8 之前

JDK1.8:

2.1 程序計數器

程序計數器（Program Counter Register）是一塊較小的內存空間，它可以看作是當前線程所執行的 字節碼的行號指示器。在Java虛擬機的概念模型裏，字節碼解釋器工作時就是通過改變這個計數器

的值來選取下一條需要執行的字節碼指令，它是程序控制流的指示器，分支、循環、跳轉、異常處

理、線程恢復等基礎功能都需要依賴這個計數器來完成。

此區域線程私有，唯一一個沒有OutOfMemoryError情況的區域。

2.2 虛擬機棧 和 本地方法棧

​ 本地方法棧（Native Method Stacks）與虛擬機棧所發揮的作用是非常相似的，其區別只是虛擬機 棧爲虛擬機執行Java方法（也就是字節碼）服務，而本地方法棧則是爲虛擬機使用到的本地（Native) 方法服務。

​ 與程序計數器一樣，方法棧也是線程私有的，生命週期和線程相同。虛擬機棧描述的是Java方法執行的線程內存模型：每個方法被執行的時候，Java虛擬機都 會同步創建一個棧幀（Stack Frame）用於存儲局（部變量表、操作數棧、動態連接、方法出口）等信 息。每一個方法被調用直至執行完畢的過程，就對應着一個棧幀在虛擬機棧中從入棧到出棧的過程。

​ 局部變量表存放了編譯期可知的各種Java虛擬機基本數據類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對象引用（reference類型，它並不等同於對象本身，可能是一個指向對象起始 地址的引用指針，也可能是指向一個代表對象的句柄或者其他與此對象相關的位置）和returnAddress 類型（指向了一條字節碼指令的地址）。

​ 這些數據類型在局部變量表中的存儲空間以局部變量槽（Slot）來表示，其中64位長度的long和 double類型的數據會佔用兩個變量槽，其餘的數據類型只佔用一個。局部變量表所需的內存空間在編 譯期間完成分配，當進入一個方法時，這個方法需要在棧幀中分配多大的局部變量空間是完全確定 的，在方法運行期間不會改變局部變量表的大小。請讀者注意，這裏說的“大小”是指變量槽的數量， 虛擬機真正使用多大的內存空間（譬如按照1個變量槽佔用32個比特、64個比特，或者更多）來實現一 個變量槽，這是完全由具體的虛擬機實現自行決定的事情。

​ HotSpot虛擬機的棧容量是不可以動態擴展的，那麼當線程請求棧的深度超過當前 Java 虛擬機棧的最大深度的時候，新的棧幀內存無法分配，就拋出 StackOverFlowError 錯誤。當新的線程無法被創建分配內存時，會拋出OutOfMemoryError異常。

相關命令：

• -Xss128k： 設置每個線程的可用棧內存大小 。 減少這個值可以增加生成的線程數量，增加值可以增大可用的方法棧深度。

  -Xss128k可以正常用於32位Windows系統下的JDK 6，但 是如果用於64位Windows系統下的JDK 11，則會提示棧容量最小不能低於180K，而在Linux下這個值則 可能是228K，

2.3. java 堆（heap）

​ 對於Java應用程序來說，Java堆（Java Heap）是虛擬機所管理的內存中最大的一塊。Java堆是被所 有線程共享的一塊內存區域，在虛擬機啓動時創建。此內存區域的唯一目的就是存放對象實例，Java 世界裏“幾乎”所有的對象實例都在這裏分配內存。現在 1.8 常量池也是放在堆中了，之前是在方法區（永久代）中。

如果在Java堆中沒有內存分配給實例，並且堆也無法再 擴展時，Java虛擬機將會拋出OutOfMemoryError異常。

相關命令：

• -Xms1024m：初始堆大小

• -Xmx1024m：最大堆大小

  一般情況將堆的最小值-Xms參數與最大值-Xmx參數 設置爲一樣即可避免堆自動擴展和JVM重新分配內存。

2.4. 方法區（運行時常量池）/ 元數據空間

​ 方法區（Method Area）與Java堆一樣，是各個線程共享的內存區域，它用於存儲已被虛擬機加載 的類型信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯後的代碼緩存等數據。

說到方法區，不得不提一下“永久代”這個概念，尤其是在JDK 8以前，許多Java程序員都習慣在 HotSpot虛擬機上開發、部署程序，很多人都更願意把方法區稱呼爲“永久代”（Permanent Generation），或將兩者混爲一談。本質上這兩者並不是等價的，因爲僅僅是當時的HotSpot虛擬機設 計團隊選擇把收集器的分代設計擴展至方法區，或者說使用永久代來實現方法區而已，這樣使得 HotSpot的垃圾收集器能夠像管理Java堆一樣管理這部分內存，省去專門爲方法區編寫內存管理代碼的 工作。這種設計導致了Java應用更容易遇到 內存溢出的問題

​ 運行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區的一部分。Class文件中除了有類的版本、字 段、方法、接口等描述信息外，還有一項信息是常量池表（Constant Pool Table），用於存放編譯期生 成的各種字面量與符號引用，這部分內容將在類加載後存放到方法區的運行時常量池中。

對象創建的時候回去常量池查找類的符號引用 ，沒有就會執行類加載過程。

相關命令：

-XX:PermSize=6m 和 -XX:MaxPermSize=6m 限制永久代(方法區)的初始化大小和最大大小。

永久代的內存時不會被java回收機制回收的，分配要謹慎

JDK8 以後永久代被拋棄，出現了元數據空間。其配置：

-XX:MaxMetaspaceSize=6m：設置元空間最大值，默認是-1，即不限制，或者說只受限於本地內存

大小。

-XX:MetaspaceSize=6m：指定元空間的初始空間大小，以字節爲單位，達到該值就會觸發垃圾收集 進行類型卸載，同時收集器會對該值進行調整：如果釋放了大量的空間，就適當降低該值；如果釋放 了很少的空間，那麼在不超過-XX：MaxMetaspaceSize（如果設置了的話）的情況下，適當提高該值。

2.5. 直接內存

​ 直接內存（Direct Memory）並不是虛擬機運行時數據區的一部分，也不是《Java虛擬機規範》中 定義的內存區域。但是這部分內存也被頻繁地使用，而且也可能導致OutOfMemoryError異常出現。

在JDK 1.4中新加入了NIO（New Input/Output）類，引入了一種基於通道（Channel）與緩衝（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函數庫直接分配堆外內存，然後通過一個存儲在Java堆裏DirectByteBuffer對象作爲這塊內存的引用進行操作。這樣能在一些場景中顯著提高性能，因爲避免了 在Java堆和Native堆中來回複製數據。

顯然，本機直接內存的分配不會受到Java堆大小的限制，但是，既然是內存，則肯定還是會受到 本機總內存（包括物理內存、SWAP分區或者分頁文件）大小以及處理器尋址空間的限制，一般服務 器管理員配置虛擬機參數時，會根據實際內存去設置-Xmx等參數信息，但經常忽略掉直接內存，使得 各個內存區域總和大於物理內存限制（包括物理的和操作系統級的限制），從而導致動態擴展時出現 OutOfMemoryError異常。

3. HotSpot虛擬機對象創建流程

3.1 對象創建流程

• 類加載檢查

  當Java虛擬機遇到一條字節碼new指令時，首先將去檢查這個指令的參數是否能在常量池中定位到 一個類的符號引用，並且檢查這個符號引用代表的類是否已被加載、解析和初始化過。如果沒有，那 必須先執行相應的類加載過程。

• 分配內存

  爲對象分配空間的任務實際上便等同於把一塊確定 大小的內存塊從java堆中劃分出來。

• 初始化零值

  內存分配完成後，虛擬機需要將分配到的內存空間都初始化爲零值（不包括對象頭），這一步操作保證了對象的實例字段在 Java 代碼中可以不賦初始值就直接使用，程序能訪問到這些字段的數據類型所對應的零值。

• 設置對象頭

  初始化零值完成之後，虛擬機要對對象進行必要的設置，例如這個對象是那個類的實例、如何才能找到類的元數據信息、對象的哈希碼、對象的 GC 分代年齡等信息。 這些信息存放在對象頭中。 另外，根據虛擬機當前運行狀態的不同，如是否啓用偏向鎖等，對象頭會有不同的設置方式。

• 執行init方法

  在上面工作都完成之後，從虛擬機的視角來看，一個新的對象已經產生了，但從 Java 程序的視角來看，對象創建纔剛開始，方法還沒有執行，所有的字段都還爲零。所以一般來說，執行 new 指令之後會接着執行 方法，把對象按照程序員的意願進行初始化，這樣一個真正可用的對象纔算完全產生出來。

3.2 對象的內存佈局

在 Hotspot 虛擬機中，對象在內存中的佈局可以分爲 3 塊區域：對象頭、實例數據和對齊填充。

Hotspot 虛擬機的對象頭包括兩部分信息，第一部分用於存儲對象自身的運行時數據（哈希碼、GC 分代年齡、鎖狀態標誌等等），另一部分是類型指針，即對象指向它的類元數據的指針，虛擬機通過這個指針來確定這個對象是那個類的實例。

實例數據部分是對象真正存儲的有效信息，也是在程序中所定義的各種類型的字段內容。

對齊填充部分不是必然存在的，也沒有什麼特別的含義，僅僅起佔位作用。 因爲 Hotspot 虛擬機的自動內存管理系統要求對象起始地址必須是 8 字節的整數倍，換句話說就是對象的大小必須是 8 字節的整數倍。而對象頭部分正好是 8 字節的倍數（1 倍或 2 倍），因此，當對象實例數據部分沒有對齊時，就需要通過對齊填充來補全。

3.3 對象的訪問定位

建立對象就是爲了使用對象，我們的 Java 程序通過棧上的 reference 數據來操作堆上的具體對象。對象的訪問方式由虛擬機實現而定，目前主流的訪問方式有①使用句柄和②直接指針兩種：

1. 句柄： 如果使用句柄的話，那麼 Java 堆中將會劃分出一塊內存來作爲句柄池，reference 中存儲的就是對象的句柄地址，而句柄中包含了對象實例數據與類型數據各自的具體地址信息；

2. 直接指針： 如果使用直接指針訪問，那麼 Java 堆對象的佈局中就必須考慮如何放置訪問類型數據的相關信息，而 reference 中存儲的直接就是對象的地址。

這兩種對象訪問方式各有優勢。使用句柄來訪問的最大好處是 reference 中存儲的是穩定的句柄地址，在對象被移動時只會改變句柄中的實例數據指針，而 reference 本身不需要修改。使用直接指針訪問方式最大的好處就是速度快，它節省了一次指針定位的時間開銷。