深入Java虚拟机笔记--Java8内存结构

我们都知道，Java代码是要运行在虚拟机上的，而虚拟机在执行Java程序的过程中会把所管理的内存划分为若干个不同的数据区域，这些区域都有各自的用途。

其中有些区域随着虚拟机进程的启动而存在，而有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。在《Java虚拟机规范（Java SE 8）》中描述了JVM运行时内存区域结构如下：

图片来源于网上。

程序计数器（Program Counter Register）

该区域划分了一块较小的内存空间，他可以看作是当前线程多执行的字节码的信号指示器。

在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多内核来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要一个独立的程序计数器，通过改变计数器的值来指定下一条需要执行的字节码指令。我们称这类内存区域为“线程私有”内存。

如果当前执行的是 Java 的方法，则该寄存器中保存当前执行指令的地址；倘若执行的是native 方法，则PC寄存器中为空（Undefined）。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

Java虚拟机栈

虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型，每个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。它的生命周期与线程相同。每个线程有一个私有的栈，随着线程的创建而创建。栈里面存着的是一种叫“栈帧”的东西，每个方法会创建一个栈帧，栈帧中存放了局部变量表（基本数据类型和对象引用）、操作数栈、方法出口等信息。

局部变量表里存放了编译期间可知的各种基本数据类型（8种）、对象引用、returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）。64位长度的long和double类型占用2个局部变量空间（Slot），其余数据类型只占用一个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

栈的大小可以固定也可以动态扩展。当栈调用深度大于JVM所允许的范围，会抛出StackOverflowError的错误。如果扩展时无法申请到足够的内存，会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈（Native Method Stack）

与虚拟机栈类似，区别是虚拟机栈执行java方法，本地方法站执行native方法。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方法与数据结构没有强制规定，因此虚拟机可以自由实现它。本地方法栈也可以抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆

Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建，用来存放对象实例。该区域时JVM所管理的内存中最大的一块区域。垃圾收集器（GC）作用于该区域，用来回收不使用的对象的内存空间。

堆的大小可以固定也可以动态扩展，可通过-Xms（最小值）和-Xmx（最大值）参数设置，如果在堆中没有内存完成实例分配，且堆也无法在扩展时，会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

方法区也是所有线程共享。主要用于存储类的信息、常量池、静态变量、及时编译器编译后的代码等数据。方法区逻辑上属于堆的一部分，但是为了与堆进行区分，通常又叫“Non-Heap（非堆）”。

方法区的大小可以通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize参数来设置。当方法区无法满足内存分配的需求时，抛出OutOfMemoryError异常。

PermGen（永久代）

绝大部分 Java 程序员应该都见过 “java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space “这个异常。这里的 “PermGen space”其实指的就是方法区。不过方法区和“PermGen space”又有着本质的区别。前者是 JVM 的规范，而后者则是 JVM 规范的一种实现，并且只有 HotSpot 才有 “PermGen space”，而对于其他类型的虚拟机，如 JRockit（Oracle）、J9（IBM） 并没有“PermGen space”。由于方法区主要存储类的相关信息，所以对于动态生成类的情况比较容易出现永久代的内存溢出。最典型的场景就是，在 jsp 页面比较多的情况，容易出现永久代内存溢出。

Metaspace（元空间）

其实，移除永久代的工作从JDK1.7就开始了。JDK1.7中，存储在永久代的部分数据就已经转移到了Java Heap或者是 Native Heap。但永久代仍存在于JDK1.7中，并没完全移除，譬如符号引用(Symbols)转移到了native heap；字面量(interned strings)转移到了java heap；类的静态变量(class statics)转移到了Java heap。

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：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，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

总结

为什么从永久代切换到元空间？

1）字符串存在永久代中，容易出现性能问题和内存溢出。

2）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）永久代会为 GC 带来不必要的复杂度，并且回收效率偏低。

参考：

1. http://www.cnblogs.com/paddix/p/5309550.html

2. 《深入理解Java虚拟机》第二版 –周志明