JVM内存模型

目录

概念

JVM内部结构

一、程序计数器（PC 寄存器）

1.1、程序计数器的定义

1.2、程序计数器的作用

1.3、程序计数器的特点

二、Java 虚拟机栈（Java 栈）

2.1、Java 虚拟机栈的定义

2.2、压栈出栈过程

2.3、局部变量表

2.4、操作数栈

2.5、Java 虚拟机栈的特点

三、本地方法栈（C 栈）

3.1、本地方法栈的定义

3.2、栈帧变化过程

四、堆

4.1、堆的定义

4.2、新生代和老年代

4.3、对象分配过程

4.4、Full GC /Major GC 触发条件

4.5、永久代、元数据区（元空间）

4.5.1、永久代（PermGen）

4.5.2、元数据区（元空间、Metaspace）

五、方法区

5.1、方法区的定义

5.2、方法区的特点

5.3、运行时常量池

5.4、运行时数据区结构

5.5、堆、栈、方法区的交互关系

六、直接内存（堆外内存）

6.1、操作直接内存

6.2、直接内存与堆内存比较

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概念

JVM是可运行 Java 代码的假想计算机 ，包括一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收，堆 和 一个存储方法域。JVM 是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。

JVM内部结构

Java 虚拟机的内存空间分为 5 个部分：程序计数器、Java 虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区。

JDK 1.8 同 JDK 1.7 比，最大的差别就是：元数据区取代了永久代。元空间的本质和永久代类似，都是对 JVM 规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元数据空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。

一、程序计数器（PC 寄存器）

1.1、程序计数器的定义

程序计数器是一块较小的内存空间，是当前线程正在执行的那条字节码指令的地址。若当前线程正在执行的是一个本地方法，那么此时程序计数器为 Undefined。

1.2、程序计数器的作用

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。
在多线程情况下，程序计数器记录的是当前线程执行的位置，从而当线程切换回来时，就知道上次线程执行到哪了。

1.3、程序计数器的特点

是一块较小的内存空间。
线程私有，每条线程都有自己的程序计数器。
生命周期：随着线程的创建而创建，随着线程的结束而销毁。
是唯一一个不会出现 OutOfMemoryError 的内存区域。

二、Java 虚拟机栈（Java 栈）

2.1、Java 虚拟机栈的定义

Java 虚拟机栈是描述 Java 方法运行过程的内存模型。
Java 虚拟机栈会为每一个即将运行的 Java 方法创建一块叫做“栈帧”的区域，用于存放该方法运行过程中的一些信息，如：
1.局部变量表
2.操作数栈
3.动态链接
4.方法出口信息
......

2.2、压栈出栈过程

当方法运行过程中需要创建局部变量时，就将局部变量的值存入栈帧中的局部变量表中。
Java 虚拟机栈的栈顶的栈帧是当前正在执行的活动栈，也就是当前正在执行的方法，PC 寄存器也会指向这个地址。只有这个活动的栈帧的本地变量可以被操作数栈使用，当在这个栈帧中调用另一个方法，与之对应的栈帧又会被创建，新创建的栈帧压入栈顶，变为当前的活动栈帧。
方法结束后，当前栈帧被移出，栈帧的返回值变成新的活动栈帧中操作数栈的一个操作数。如果没有返回值，那么新的活动栈帧中操作数栈的操作数没有变化。

由于 Java 虚拟机栈是与线程对应的，数据不是线程共享的（也就是线程私有的)，因此不用关心数据一致性问题，也不会存在同步锁的问题。

2.3、局部变量表

定义为一个数字数组，主要用于存储方法参数、定义在方法体内部的局部变量，数据类型包括各类基本数据类型，对象引用，以及 return address 类型。
局部变量表容量大小是在编译期确定下来的。最基本的存储单元是 slot，32 位占用一个 slot，64 位类型（long 和 double）占用两个 slot。

在栈帧中，与性能调优关系最密切的部分，就是局部变量表，方法执行时，虚拟机使用局部变量表完成方法的传递局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根节点，只要被局部变量表中直接或间接引用的对象都不会被回收。

2.4、操作数栈

1)、栈顶缓存技术：由于操作数是存储在内存中，频繁的进行内存读写操作影响执行速度，将栈顶元素全部缓存到物理 CPU 的寄存器中，以此降低对内存的读写次数，提升执行引擎的执行效率。
2）、每一个操作数栈会拥有一个明确的栈深度，用于存储数值，最大深度在编译期就定义好。32bit 类型占用一个栈单位深度，64bit 类型占用两个栈单位深度操作数栈。
3）、并非采用访问索引方式进行数据访问，而是只能通过标准的入栈、出栈操作完成一次数据访问。

2.5、Java 虚拟机栈的特点

1）、运行速度特别快，仅仅次于 PC 寄存器。

2）、局部变量表随着栈帧的创建而创建，它的大小在编译时确定，创建时只需分配事先规定的大小即可。在方法运行过程中，局部变量表的大小不会发生改变。

3）、Java 虚拟机栈会出现两种异常：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。 StackOverFlowError 若 Java 虚拟机栈的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时，抛出 StackOverFlowError 异常。 OutOfMemoryError 若允许动态扩展，那么当线程请求栈时内存用完了，无法再动态扩展时，抛出 OutOfMemoryError 异常。

4）、Java 虚拟机栈也是线程私有，随着线程创建而创建，随着线程的结束而销毁。

5）、出现 StackOverFlowError 时，内存空间可能还有很多。 常见的运行时异常有：

NullPointerException - 空指针引用异常
ClassCastException - 类型强制转换异
IllegalArgumentException - 传递非法参数异常
ArithmeticException - 算术运算异常
ArrayStoreException - 向数组中存放与声明类型不兼容对象异常
IndexOutOfBoundsException - 下标越界异常
NegativeArraySizeException - 创建一个大小为负数的数组错误异常
NumberFormatException - 数字格式异常
SecurityException - 安全异常
UnsupportedOperationException - 不支持的操作异常

三、本地方法栈（C 栈）

3.1、本地方法栈的定义

本地方法栈是为 JVM 运行 Native 方法准备的空间，由于很多 Native 方法都是用 C 语言实现的，所以它通常又叫 C 栈。它与 Java 虚拟机栈实现的功能类似，只不过本地方法栈是描述本地方法运行过程的内存模型。

3.2、栈帧变化过程

1）、本地方法被执行时，在本地方法栈也会创建一块栈帧，用于存放该方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息等。

2）、方法执行结束后，相应的栈帧也会出栈，并释放内存空间。也会抛出 StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 异常。

3）、如果 Java 虚拟机本身不支持 Native 方法，或是本身不依赖于传统栈，那么可以不提供本地方法栈。如果支持本地方法栈，那么这个栈一般会在线程创建的时候按线程分配。

四、堆

4.1、堆的定义

堆是用来存放对象的内存空间，几乎所有的对象都存储在堆中。

JDK7及以前
逻辑：新生代（伊甸园区+幸存者1区+幸存者2区）+老年代+永久代（方法区在1.7的实现）

JDK8及以后
逻辑：新生代（伊甸园区+幸存者1区+幸存者2区）+老年代+元空间(直接内存)（方法区在1.8的实现）

4.2、新生代和老年代

1）、老年代比新生代生命周期长。
2）、新生代与老年代空间默认比例 1:2：JVM 调参数，XX:NewRatio=2，表示新生代占 1，老年代占 2，新生代占整个堆的 1/3。
3）、HotSpot 中，Eden 空间和另外两个 Survivor 空间缺省所占的比例是：8:1:1。
4）、几乎所有的 Java 对象都是在 Eden 区被 new 出来的，Eden 放不了的大对象，就直接进入老年代了。

4.3、对象分配过程

1）、new 的对象先放在 Eden 区，大小有限制
2）、如果创建新对象时，Eden 空间填满了，就会触发 Minor GC，将 Eden 不再被其他对象引用的对象进行销毁，再加载新的对象放到 Eden 区，特别注意的是 Survivor 区满了是不会触发 Minor GC 的，而是 Eden 空间填满了，Minor GC 才顺便清理 Survivor 区
3）、将 Eden 中剩余的对象移到 Survivor0 区 *再次触发垃圾回收，此时上次 Survivor 下来的，放在 Survivor0 区的，如果没有回收，就会放到 Survivor1 区
4）、再次经历垃圾回收，又会将幸存者重新放回 Survivor0 区，依次类推
5）、默认是 15 次的循环，超过 15 次，则会将幸存者区幸存下来的转去老年区 jvm 参数设置次数 : -XX:MaxTenuringThreshold=N 进行设置
6）、频繁在新生代收集，很少在老年代收集，几乎不在永久区/元空间搜集

4.4、Full GC /Major GC 触发条件

针对hotSpot VM的实现，它里面的GC按照回收区域又分为两大种类型：一种是部分收集（Partial GC），一种是整堆收集（Full GC）。

1、整堆收集（Full GC）：收集整个java堆和方法区的垃圾收集
2、部分收集：
1）、新生代收集（Minor GC/Young GC）：只是新生代的垃圾收集
2）、老年代收集（Major GC/Old GC）：只是老年代的垃圾收集
3）、目前，只有CMS GC会有单独收集老年代的行为

新生代收集（Minor GC/Young GC）：当年轻代内存满时，会引发一次普通GC，该GC仅回收年轻代。需要强调的是，年轻代满是指Eden代满，Survivor满不会引发GC；

老年代收集（Major GC/Old GC）触发条件：如果老年代的空间还是不够就会触发 Major GC，Major GC 之前，会先触发 Minor GC。

Full GC触发条件：

1. 显示调用System.gc()；
2. 当年老代满时会引发Full GC，Full GC将会同时回收年轻代、年老代；
3. 当永久代满时也会引发Full GC，会导致Class、Method元信息的卸载；

另一个问题是，何时会抛出OutOfMemoryException，并不是内存被耗空的时候才抛出，满足这两个条件将触发OutOfMemoryException，这将会留给系统一个微小的间隙以做一些Down之前的操作，比如手动打印Heap Dump：

• JVM98%的时间都花费在内存回收
• 每次回收的内存小于2%

4.5、永久代、元数据区（元空间）

4.5.1、永久代（PermGen）

1)、是 JDK7 及之前， HotSpot 虚拟机基于 JVM 规范对方法区的一个落地实现，其他虚拟机如 JRockit（Oracle）、J9（IBM） 有方法区 ，但是没有永久代。在 JDK1.8 已经被移除，取而代之的是元数据区（元空间）
2）、内存的永久保存区域，主要存放 Class 和 Meta（元数据）的信息，Class 在被加载的时候被放入永久区域。和存放实例的区域不同，GC 不会在主程序运行期对永久区域进行清理。所以这也导致了永久代的区域会随着加载的 Class 的增多而胀满，最终抛出 OOM 异常。

4.5.2、元数据区（元空间、Metaspace）

1）、元空间的本质和永久代类似，都是对 JVM 规范中方法区的实现。
2）、元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制，但可以通过以下参数来指定元空间的大小：
-XX:MetaspaceSize （初始空间大小）：达到该值就会触发垃圾收集进行类型卸载，同时GC会对该值进行调整，如果释放了大量的空间，就适当降低该值；
如果释放了很少的空间，那么在不超过 MaxMetaspaceSize时，适当提高该值。
-XX:MaxMetaspaceSize（最大空间）默认是没有限制的。
除了上面两个指定大小的选项以外，还有两个与 GC 相关的属性：
-XX:MinMetaspaceFreeRatio ：在 GC 之后，最小的 Metaspace 剩余空间容量的百分比，减少为分配空间所导致的垃圾收集；
-XX:MaxMetaspaceFreeRatio ：在GC之后，最大的 Metaspace 剩余空间容量的百分比，减少为释放空间所导致的垃圾收集；

类的元数据放入本地内存中，字符串池和类的静态变量放入 java 堆中，这样可以加载多少类的元数据就不再由虚拟机的 MaxPermSize 控制，而由系统的实际可用空间来控制。

元空间替换永久代的原因分析：

1）、字符串存在永久代中，容易出现性能问题和内存溢出。
2）、通常会使用 PermSize 和 MaxPermSize 设置永久代的大小就决定了永久代的上限，但是类及方法的信息等比较难确定其大小，因此对于永久代的大小指定比较困难，太小容易出现永久代溢出，太大则容易导致老年代溢出。
3）、当使用元空间时，可以加载多少类的元数据就不再由 MaxPermSize 控制，而由系统的实际可用空间来控制。
4）、永久代会为 GC 带来不必要的复杂度，并且回收效率偏低。

五、方法区

5.1、方法区的定义

Java 虚拟机规范中定义方法区是堆的一个逻辑部分。方法区存放以下信息：
1、已经被虚拟机加载的类信息
2、常量
3、静态变量
4、即时编译器编译后的代码

5.2、方法区的特点

1）、线程共享。 方法区是堆的一个逻辑部分，因此和堆一样，都是线程共享的。整个虚拟机中只有一个方法区。 永久代。 方法区中的信息一般需要长期存在，而且它又是堆的逻辑分区，因此用堆的划分方法，把方法区称为“永久代”。
2）、内存回收效率低。 方法区中的信息一般需要长期存在，回收一遍之后可能只有少量信息无效。主要回收目标是：对常量池的回收；对类型的卸载。
3）、Java 虚拟机规范对方法区的要求比较宽松。 和堆一样，允许固定大小，也允许动态扩展，还允许不实现垃圾回收。

5.3、运行时常量池

方法区中存放：类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码。常量就存放在运行时常量池中。

当类被 Java 虚拟机加载后， .class 文件中的常量就存放在方法区的运行时常量池中。而且在运行期间，可以向常量池中添加新的常量。如 String 类的 intern() 方法就能在运行期间向常量池中添加字符串常量。

5.4、运行时数据区结构

从线程共享的角度来看，运行时数据区结构图如下：

5.5、堆、栈、方法区的交互关系

六、直接内存（堆外内存）

直接内存是除 Java 虚拟机之外的内存，但也可能被 Java 使用。

6.1、操作直接内存

在 NIO 中引入了一种基于通道和缓冲的 IO 方式。它可以通过调用本地方法直接分配 Java 虚拟机之外的内存，然后通过一个存储在堆中的DirectByteBuffer对象直接操作该内存，而无须先将外部内存中的数据复制到堆中再进行操作，从而提高了数据操作的效率。

直接内存的大小不受 Java 虚拟机控制，但既然是内存，当内存不足时就会抛出 OutOfMemoryError 异常。

6.2、直接内存与堆内存比较

1）、直接内存申请空间耗费更高的性能
2）、直接内存读取 IO 的性能要优于普通的堆内存
3）、直接内存作用链： 本地 IO -> 直接内存 -> 本地 IO
4）、堆内存作用链：本地 IO -> 直接内存 -> 非直接内存 -> 直接内存 -> 本地 IO

服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常忽略直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制，从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。