jvm系列(二):JVM內存結構
所有的Java開發人員可能會遇到這樣的困惑?我該為堆內存設置多大空間呢?OutOfMemoryError的異常到底涉及到運行時數據的哪塊區域?該怎么解決呢?其實如果你經常解決服務器性能問題，那么這些問題就會變的非常常見，了解JVM內存也是為了服務器出現性能問題的時候可以快速的了解那塊的內存區域出現問題，以便于快速的解決生產故障。
先看一張圖，這張圖能很清晰的說明JVM內存結構布局。
JVM內存結構主要有三大塊：堆內存、方法區和棧。堆內存是JVM中***的一塊由年輕代和老年代組成，而年輕代內存又被分成三部分，Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間,默認情況下年輕代按照8:1:1的比例來分配;
方法區存儲類信息、常量、靜態變量等數據，是線程共享的區域，為與Java堆區分，方法區還有一個別名Non-Heap(非堆);棧又分為java虛擬機棧和本地方法棧主要用于方法的執行。
在通過一張圖來了解如何通過參數來控制各區域的內存大小
控制參數
- -Xms設置堆的最小空間大小。
- -Xmx設置堆的***空間大小。
- -XX:NewSize設置新生代最小空間大小。
- -XX:MaxNewSize設置新生代***空間大小。
- -XX:PermSize設置***代最小空間大小。
- -XX:MaxPermSize設置***代***空間大小。
- -Xss設置每個線程的堆棧大小。
沒有直接設置老年代的參數，但是可以設置堆空間大小和新生代空間大小兩個參數來間接控制。
老年代空間大小=堆空間大小-年輕代大空間大小
從更高的一個維度再次來看JVM和系統調用之間的關系
方法區和對是所有線程共享的內存區域;而java棧、本地方法棧和程序員計數器是運行是線程私有的內存區域。
下面我們詳細介紹每個區域的作用
Java堆(Heap)
對于大多數應用來說，Java堆(Java Heap)是Java虛擬機所管理的內存中***的一塊。Java堆是被所有線程共享的一塊內存區域，在虛擬機啟動時創建。此內存區域的唯一目的就是存放對象實例，幾乎所有的對象實例都在這里分配內存。
Java堆是垃圾收集器管理的主要區域，因此很多時候也被稱做“GC堆”。如果從內存回收的角度看，由于現在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆中還可以細分為：新生代和老年代;再細致一點的有Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間等。
根據Java虛擬機規范的規定，Java堆可以處于物理上不連續的內存空間中，只要邏輯上是連續的即可，就像我們的磁盤空間一樣。在實現時，既可以實現成固定大小的，也可以是可擴展的，不過當前主流的虛擬機都是按照可擴展來實現的(通過-Xmx和-Xms控制)。
如果在堆中沒有內存完成實例分配，并且堆也無法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError異常。
方法區(Method Area)
方法區(Method Area)與Java堆一樣，是各個線程共享的內存區域，它用于存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯后的代碼等數據。雖然Java虛擬機規范把方法區描述為堆的一個邏輯部分，但是它卻有一個別名叫做Non-Heap(非堆)，目的應該是與Java堆區分開來。
對于習慣在HotSpot虛擬機上開發和部署程序的開發者來說，很多人愿意把方法區稱為“***代”(Permanent Generation)，本質上兩者并不等價，僅僅是因為HotSpot虛擬機的設計團隊選擇把GC分代收集擴展至方法區，或者說使用***代來實現方法區而已。
Java虛擬機規范對這個區域的限制非常寬松，除了和Java堆一樣不需要連續的內存和可以選擇固定大小或者可擴展外，還可以選擇不實現垃圾收集。相對而言，垃圾收集行為在這個區域是比較少出現的，但并非數據進入了方法區就如***代的名字一樣“***”存在了。這個區域的內存回收目標主要是針對常量池的回收和對類型的卸載，一般來說這個區域的回收“成績”比較難以令人滿意，尤其是類型的卸載，條件相當苛刻，但是這部分區域的回收確實是有必要的。
根據Java虛擬機規范的規定，當方法區無法滿足內存分配需求時，將拋出OutOfMemoryError異常。
方法區有時被稱為持久代(PermGen)。
所有的對象在實例化后的整個運行周期內，都被存放在堆內存中。堆內存又被劃分成不同的部分：伊甸區(Eden)，幸存者區域(Survivor Sapce)，老年代(Old Generation Space)。
方法的執行都是伴隨著線程的。原始類型的本地變量以及引用都存放在線程棧中。而引用關聯的對象比如String，都存在在堆中。為了更好的理解上面這段話，我們可以看一個例子：
- import java.text.SimpleDateFormat;
- import java.util.Date;
- import org.apache.log4j.Logger;
- public class HelloWorld {
- private static Logger LOGGER = Logger.getLogger(HelloWorld.class.getName());
- public void sayHello(String message) {
- SimpleDateFormat formatter = new SimpleDateFormat("dd.MM.YYYY");
- String today = formatter.format(new Date());
- LOGGER.info(today + ": " + message);
- }
- }
這段程序的數據在內存中的存放如下：
通過JConsole工具可以查看運行中的Java程序(比如Eclipse)的一些信息：堆內存的分配，線程的數量以及加載的類的個數;
程序計數器(Program Counter Register)
程序計數器(Program Counter Register)是一塊較小的內存空間，它的作用可以看做是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。在虛擬機的概念模型里(僅是概念模型，各種虛擬機可能會通過一些更高效的方式去實現)，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，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。
由于Java虛擬機的多線程是通過線程輪流切換并分配處理器執行時間的方式來實現的，在任何一個確定的時刻，一個處理器(對于多核處理器來說是一個內核)只會執行一條線程中的指令。因此，為了線程切換后能恢復到正確的執行位置，每條線程都需要有一個獨立的程序計數器，各條線程之間的計數器互不影響，獨立存儲，我們稱這類內存區域為“線程私有”的內存。
如果線程正在執行的是一個Java方法，這個計數器記錄的是正在執行的虛擬機字節碼指令的地址;如果正在執行的是Natvie方法，這個計數器值則為空(Undefined)。
此內存區域是唯一一個在Java虛擬機規范中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域。
JVM棧(JVM Stacks)
與程序計數器一樣，Java虛擬機棧(Java Virtual Machine Stacks)也是線程私有的，它的生命周期與線程相同。虛擬機棧描述的是Java方法執行的內存模型：每個方法被執行的時候都會同時創建一個棧幀(Stack Frame)用于存儲局部變量表、操作棧、動態鏈接、方法出口等信息。每一個方法被調用直至執行完成的過程，就對應著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基本數據類型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、對象引用(reference類型，它不等同于對象本身，根據不同的虛擬機實現，它可能是一個指向對象起始地址的引用指針，也可能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)。
其中64位長度的long和double類型的數據會占用2個局部變量空間(Slot)，其余的數據類型只占用1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。
在Java虛擬機規范中，對這個區域規定了兩種異常狀況：如果線程請求的棧深度大于虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常;如果虛擬機棧可以動態擴展(當前大部分的Java虛擬機都可動態擴展，只不過Java虛擬機規范中也允許固定長度的虛擬機棧)，當擴展時無法申請到足夠的內存時會拋出OutOfMemoryError異常。
本地方法棧(Native Method Stacks)
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，其區別不過是虛擬機棧為虛擬機執行Java方法(也就是字節碼)服務，而本地方法棧則是為虛擬機使用到的Native方法服務。虛擬機規范中對本地方法棧中的方法使用的語言、使用方式與數據結構并沒有強制規定，因此具體的虛擬機可以自由實現它。甚至有的虛擬機(譬如Sun HotSpot虛擬機)直接就把本地方法棧和虛擬機棧合二為一。與虛擬機棧一樣，本地方法棧區域也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。
哪兒的OutOfMemoryError
對內存結構清晰的認識同樣可以幫助理解不同OutOfMemoryErrors：
- Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
原因：對象不能被分配到堆內存中
- Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
原因：類或者方法不能被加載到老年代。它可能出現在一個程序加載很多類的時候，比如引用了很多第三方的庫;
- Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit
原因：創建的數組大于堆內存的空間
- Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: request <size> bytes for <reason>. Out of swap space?
原因：分配本地分配失敗。JNI、本地庫或者Java虛擬機都會從本地堆中分配內存空間。
- Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: <reason> <stack trace>(Native method)
原因：同樣是本地方法內存分配失敗，只不過是JNI或者本地方法或者Java虛擬機發現
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