一文帶你看懂jvm虛擬機內存管理

運行時數據區

• 程序計數器（線程私有）
  • 一塊較小的內存空間，可以看作是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。如果線程正在執行的是一個java方法，記錄的是正在執行的虛擬機字節碼指令的地址；如果執行的是native方法，這個計數器值則爲空。注意：此內存區域是唯一 一個在java虛擬機規範中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域
• java虛擬機棧（線程私有）
  • 虛擬機棧描述的是java方法執行的內存模型：每個方法在執行的同時都會創建一個棧幀（stack frame）用於存儲局部變量表、操作數棧、動態鏈接、方法出口等信息。
  • 局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數據類型、對象引用和returnAddress類型（指向了一條字節碼指令的地址） 注意：其中64位長度的long和double類型的數據會佔用2個局部變量空間（slot），其餘數據只佔用一個。
  • 棧區域的兩種異常：StackOverflowError 和 OutOfMemoryError異常
• 本地方法棧（線程私有）
  • 本地方法棧是虛擬機使用到的native方法服務
• java堆
  • 堆是虛擬機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
  • java堆細分：新生代和老年代。細緻一點Eden空間、from survivor空間、To survivor空間等。從內存分配的角度來看，線程共享的java堆中可能劃分出多個線程私有的分配緩衝區（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）
  • -Xmx和-Xms設置虛擬機堆內存是否可擴展
• 方法區（別名Non-Heap 非堆）
  • 用於存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、及時編譯器編譯後的代碼等數據表。
  • 運行時常量池是方法區的一部分。class文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息，還有一項信息是常量池，用於存放編譯器生成的各種字面量和符號引用，這部分內容將在類加載後進入方法區的運行時常量池中存放。
• 直接內存
  • 在jdk1.4中新加入了nio類，引入了一種基於通道與緩衝區的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堆中directByteBuffer對象作爲這塊內存的引用進行操作。這樣可以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。
  • 本機直接內存的分配不受java堆大小的限制，但是如果在設置 -Xmx等參數信息時，忽略掉直接內存，可能導致總的內存大於了物理內存限制，從而導致動態擴展時出現OutOfMemoryError異常。

幾種常見的OutOfMemoryError

• java堆溢出
  • java.lang.OutOfMemoryError : java heap space
  • 當出現堆溢出時一般手段是先通過內存映像分析工具（如：eclipse memory analyzer）對dump出來的堆轉存快照進行分析。首先要清楚是內存泄漏還是內存溢出
• 虛擬機棧和本地方法棧溢出
  • 棧容量只由 -Xss 參數設定
  • 關於虛擬機棧和本地方法棧，在java虛擬機規範中描述了兩種異常：
    • 如果線程請求的棧深度大於虛擬機所允許的最大深度，將拋出StackOverflowerror
    • 如果虛擬機在擴展棧時無法申請到足夠的空間，則拋出OutOfMemoryError
• 方法區和運行時常量池溢出
  • VM Args：-XX：PermSize = 10M -XX：MaxPermSize=10M
  • java.lang.OutOfMemoryError : PermGen space
• 本機直接內存溢出
  • DirectMemory容量可以通過-XX ： MaxDirectMemorySize指定，如果不指定，則默認與java堆最大值一樣
  • 由directMemory導致的內存溢出，一個明顯的特徵是在Heap Dump文件中不會看見明顯的異常，如果發現OOM之後dump文件很小，而程序中又直接或間接使用了NIO，則可以考慮是不是這方面問題

內存分配和回收策略

對象優先在Eden分配

大多數情況，對象在新生代Eden去分配。當Eden區沒有足夠空間進行分配時，虛擬機將發起一次Minor GC。

大對象直接進入老年代

所謂大對象是指—需要大量連續內存空間的java對象（最典型的大對象就是那種很長的字符串以及數組）。虛擬機提供了一個 -XX：PretenureSizeThreshold參數，令大於這個設置值的對象直接在老年代分配。這樣做的目的是避免在Eden區及兩個survivor區之間發生大量的內存複製。

長期存活的對象將進入老年代

在Eden中新生的對象，經歷第一次Minor GC後存在，且能被survivor容納，將被移動到survivor中，並年齡設爲1。每經過一次，年齡+1，直到達到閾值（默認15，可以通過-XX:MaxTenuringThreshold設置）

動態年齡判斷

如果survivor空間中相同年齡所有對象大小總和大於survivor空間的一半，年齡大於或者等於該年齡的對象直接進入老年代，無需等年齡到達閾值。

垃圾收集算法

• 標記-清除算法
• 複製算法
• 標記-整理算法
• 分代收集算法

虛擬機性能監控與故障處理工具

jdk的命令行工具

• jps：虛擬機進程狀況工具
  • 可以列出正在運行的虛擬機進程，並顯示虛擬機執行主類（Main Class，main（）函數所在的類）名稱以及這些進程的本地虛擬機唯一id（Local Virtual Machine Identifier ， LVMID）
  • -q ： 只輸出LVMID，省略主類的名稱
  • -m ： 輸出虛擬機進程啓動時傳遞給主類main（）函數的參數
  • -l ： 輸出主類的全名，如果進程執行的是jar包，輸出jar的路徑
  • -v ： 輸出虛擬機啓動時jvm參數
• jstat：虛擬機統計信息監視工具
  • JVM Statistics Monitoring Tool是用於監視虛擬機各種運行狀態信息的命令行工具，他可以顯示本地或者遠程虛擬機進程中的類轉載、內存、垃圾收集、jit編譯等運行數據，在服務器上它是運行期定位虛擬機性能問題的首選工具
  • -gc ： 監視java堆，包括Eden區，兩個survivor區，老年代、永久代等的容量、已用空間、gc時間合計等信息
  • -class ： 監視類裝載、卸載數量、總空間以及類裝載所耗費的時間
  • -gcutil ： 監視內容與-gc基本相同，但輸出主要關注已使用空間佔總空間的百分比
• jinfo：java配置信息工具
  • Configuration Info for Java 的作用是實時地查看和調整虛擬機各項參數。
• jmap：java內存映射工具
  • Memory Map for Java命令用於生成堆轉儲快照（一般稱爲heapdump或dump文件）。
  • -dump：生成java堆轉儲快照
    • -dump:[live,]format=b,file= live子參數說明是否只dump出存活的對象
  • -heap：顯示java堆詳細信息，如使用哪種回收器、參數配置、分代狀況等
  • -histo：顯示堆中對象統計信息，包括類、實例數量、合計容量
  • -F：當虛擬機進程對-dump選項沒有響應時，可使用這個選項強制生成dump快照。
• jhat：虛擬機堆轉儲快照分析工具
  • sun JDK提供了jhat（JVM Heap Analysis Tool）命令與jmap搭配使用，來分析生成的堆轉儲快照。jhat內置了一個微型的HTTP/HTML服務器，生成dump文件的分析結果後，可以在瀏覽器查看。
  • 注意：一般不要在生產服務器上用該命令分析dump文件
    • 分析工具是一個耗時而且消耗硬件資源的過程
    • jhat的分析功能相對來說比較簡陋
• jstack：java堆棧跟蹤工具
  • Stack Trace for Java 命令用於生成虛擬機當前時刻的線程快照（一般稱爲threaddump或者Javacore文件）
  • -l ：除堆棧外，顯示關於鎖的附加信息
  • -m ：如果調用本地方法的話，可以顯示C/C++的堆棧
  • -F ：當正常輸出的請求不被響應時，強制輸出線程堆棧