不可错过的JVM深度好文-纯干货详解JVM！-JVM内存结构2
2.4 本地方法栈
2.4.1 什么是本地方法
简单地讲，一个Native Method就是一个java调用非java代码的接口。一个Native Method是这样一个java的方法:该方法的实现由非java语言实现，比如C。这个特征并非java所特有，很多其它的编程语言都有这一机制，比如在C++中，你可以用extern "C"告知C++编译器去调用一个C的函数。
“A native method is a Java method whose implementation is provided by non-java code.”
在定义一个native method时，并不提供实现体(有些像定义一个java interface)，因为其实现体是由非java语言在外面实现的。下面给了一个示例:
public class IHaveNatives{
native public void Native1( int x ) ;
native static public long Native2() ;
native synchronized private float Native3( Object o ) ;
native void Native4( int[] ary ) throws Exception ;
}
本地接口的作用是融合不同的编程语言为java所用，它的初衷是融合C/C++程序。
2.4.2 为什么要使用本地方法
java使用起来非常方便，然而有些层次的任务用java实现起来不容易，或者我们对程序的效率很在意时，问题就来了。
与java环境外交互:
有时java应用需要与java外面的环境交互。这是本地方法存在的主要原因，你可以想想java需要与 一些底层系统如操作系统或某些硬件交换信息时的情况。本地方法正是这样一种交流机制:它为我们提供了一个非常简洁的接口，而且我们无需去了解java应用之外的繁琐的细节。
与操作系统交互:
JVM支持着java语言本身和运行时库，它是java程序赖以生存的平台，它由一个解释器(解释字节码)和一些连接到本地代码的库组成。然而不管怎样，它毕竟不是一个完整的系统，它经常依赖于一些底层(underneath在下面的)系统的支持。这些底层系统常常是强大的操作系统。通过使用本地方 法，我们得以用java实现了jre的与底层系统的交互，甚至JVM的一些部分就是用C写的。还有，如果我们要使用一些java语言本身没有提供封装的操作系统的特性时，我们也需要使用本地方法。
Sun’s Java
Sun的解释器是用C实现的，这使得它能像一些普通的C一样与外部交互。jre大部分是用java实现的，它也通过一些本地方法与外界交互。例如:类java.lang.Thread 的 setPriority()方法是用java实现的，但是它实现调用的是该类里的本地方法setPriority0()。这个本地方法是用C实现的，并被植入JVM内部，在Windows 95的平台上，这个本地方法最终将调用Win32 SetPriority() API。这是一个本地方法的 具体实现由JVM直接提供，更多的情况是本地方法由外部的动态链接库(external dynamic link library)提供，然后被JVM调用。
package java.lang; public class Object {
private static native void registerNatives();
static {
registerNatives();
}
public final native Class<?> getClass(); ..........
}
package java.lang; public class Object {
private static native void registerNatives();
static {
registerNatives();
}
public final native Class<?> getClass(); ..........
}
package java.lang;
public
class Thread implements Runnable { ............
/* Some private helper methods */
private native void setPriority0(int newPriority);
private native void stop0(Object o);
private native void suspend0();
private native void resume0();
private native void interrupt0();
private native void setNativeName(String name);
}
现状
目前该方法使用的越来越少了，除非是与硬件有关的应用，比如通过java程序驱动打印机或者java系统管理生产设备，在企业应用中已经比较少⻅。因为现状的异构领域间的通信很发达，比如可以使用socket通信，也可以使用web service等等，这里不做过多介绍。
2.4.3 本地方法栈的理解
本地方法栈(Native Method Stack )
java虚拟机用于管理java方法的调用，而本地方法栈用于管理本地方法的调用。
本地方法栈也是线程私用的。
本地方法是使用C语言实现的。
当某个线程调用一个本地方法时，它就进入了一个全新的并且不受虚拟机限制的世界。它和虚拟机拥有同样的权限。
- 本地方法可以通过本地接口来访问虚拟机内部的运行时数据区
- 它甚至可以直接使用本地处理器中的寄存器
- 直接从本地内存的堆中分配任意数量的内存
允许虚拟机栈的大小是固定的或者可动态扩展的内存大小。
- 如果线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机栈允许的最大容量,Java虚拟机将会抛出一 个StackOverflowError异常
- 如果本地方法栈可以动态扩展,并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存,或者在创建新的线程 时没有足够的内存去创建对应的本地方法栈,那Java虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError异常。
**并不是所有的JVM都支持本地方法。因为java虚拟机规范并没有明确要求本地方法栈的使用语言、 具体实现方式、数据结构等。**如果JVM产品不打算支持native方法，也可以无需实现本地方法栈。
在Hotspot JVM中，直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一。
2.5 堆
2.5.1 堆的核心概述
- 一个JVM实例只存在一个堆内存，堆也是java内存管理的核心区域。
- java堆区在JVM启动的时候即被创建，其空间大小也就确定了。是JVM管理的最大一块内存空间。 堆的大小是可以调节的。
- <
>规定，堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但在逻辑上它应该被视为连续的。 - 所有的线程共享java堆。
2.5.2 堆空间内部结构
Java7 及之前堆内存逻辑上分为三部分: 新生代+老年代+永久代(Permanent Space)**
Java8 及之后堆内存逻辑上分为三部分:新生代+老年代+元空间(Meta Space)
约定: 新生代/新生区/年轻代 养老区/老年区/老年代/年老代 永久区/永久代
/**
* -Xms10m -Xmx10m */
public class HeapDemo {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("======start=========");
try {
Thread.sleep(1000000L);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace(); }
System.out.println("========end=========");
}
}
这里加入设置-XX:+PrintGCDetails：
可以看到GC垃圾回收的细节：
======start=========
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 2048K->496K(2560K)] 2048K->648K(9728K), 0.0011633 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.00 secs]
========end=========
Heap
PSYoungGen total 2560K, used 1064K [0x00000007bfd00000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000)
eden space 2048K, 27% used [0x00000007bfd00000,0x00000007bfd8e2b0,0x00000007bff00000)
from space 512K, 96% used [0x00000007bff00000,0x00000007bff7c010,0x00000007bff80000)
to space 512K, 0% used [0x00000007bff80000,0x00000007bff80000,0x00000007c0000000)
ParOldGen total 7168K, used 152K [0x00000007bf600000, 0x00000007bfd00000, 0x00000007bfd00000)
object space 7168K, 2% used [0x00000007bf600000,0x00000007bf626000,0x00000007bfd00000)
Metaspace used 3587K, capacity 4536K, committed 4864K, reserved 1056768K
class space used 399K, capacity 428K, committed 512K, reserved 1048576K
2.5.3 堆空间关于对象创建
- <
>中对java堆的描述是:所有的对象实例以及数组都应当在运行时分配在堆上。
( The heap is the run-time data area from which memory for all class instances and arrays is allocated.) - 数组和对象可能永远不会存储在栈上，因为栈帧中保存引用，这个引用指向对象或者数组在堆中的位置。
- 在方法移除后，堆中的对象不会⻢上被移除，仅仅在垃圾收集的时候才会被移除。
- 堆，是GC(Garbage Collection，垃圾收集器)执行垃圾回收的重点区域。
public class SimpleHeap
{
private int id;
public SimpleHeap(int id)
{
this.id = id;
}
public void show()
{
System.out.println("My id is " + this.id);
}
public static void main(String[] args)
{//左边是局部变量 存储在虚拟机栈 //右边是对象/实例，存储在堆中
SimpleHeap s1 = new SimpleHeap(1);
SimpleHeap s2 = new SimpleHeap(2);
int[] arr = new int[10];
Object[] arr1 = new Object[10];
}
}
2.5.4** 堆空间大小的设置和查看
- java堆区用于存储java对象实例，那么堆的大小在JVM启动时就已经设定好了，可以通过"-Xmx"和"-Xms"来进行设置。
-
‘’-Xmx"则用于表示堆区的最大内存, -Xmx2048m 等价于-XX:MaxHeapSize=2048m,设置JVM最大堆内存为2048m
-
"-Xms"则用于表示堆区的初始内存,-Xms512m 等价于-XX:InitialHeapSize=512m,设置JVM最初堆内存为512m
官网参数地址:
https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html
-
一旦堆区中的内存大小超过"-Xmx"所指定的最大内存时，将会抛出OutOfMemoryError异常。
-
通常会将 -Xms和 -Xmx两个参数配置相同的值，其目的是为了能够在java垃圾回收机制清理堆区后不 需要重新分割计算堆区的大小，从而提供性能。
-
初始内存大小: 物理电脑内存大小 /64 ; 最大内存大小: 物理电脑内存大小 /4。
/**
1. 设置堆空间大小的参数
-Xms 用来设置堆空间(年轻代+老年代)的初始内存大小 -X 是jvm 的运行参数
-Xmx 用来设置堆空间(年轻代+老年代)的最大内存大小
2. 手动设置 -Xms600m -Xmx600m 开发中建议将初始化堆内存和最大的堆内存设置成相同的值
3. 查看设置的参数: 方式一: jps / jstat -gc 进程id 方式二: -XX:+PrintGCDetails
*/
public class HeapSpaceInitial {
public static void main(String[] args) {
long initMemory = Runtime.getRuntime().totalMemory()/1024/1024;
long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory()/1024/1024;
System.out.println("-Xms:"+initMemory+" M");
System.out.println("-Xmx:"+maxMemory+" M");
System.out.println("系统内存大小:"+initMemory*64.0/1024+" G");
System.out.println("系统内存大小:"+maxMemory*4.0/1024+" G");
}
}
用方式一查看设置的参数：首先jps查看进程号，找到对应的进程号jstat -gc：
- S0C:第一个幸存区的大小
- S1C:第二个幸存区的大小
- S0U:第一个幸存区的使用大小
- S1U:第二个幸存区的使用大小
- EC:伊甸园区的大小
- EU:伊甸园区的使用大小
- OC:老年代大小
- OU:老年代使用大小
- MC:方法区大小
- MU:方法区使用大小
- CCSC:压缩类空间大小
- CCSU:压缩类空间使用大小
- YGC:年轻代垃圾回收次数
- YGCT:年轻代垃圾回收消耗时间
- FGC:老年代垃圾回收次数
- FGCT:老年代垃圾回收消耗时间
- GCT:垃圾回收消耗总时间
2.5.5 新生代与老年代中相关参数的设置
存储在jvm中的java对象可以划分为两类:
一类是生命周期较短的瞬时对象，这类对象的创建和销毁非常迅速;
另外一类对象的生命周期却非常⻓，在某些极端的情况下还能够与jvm的生命周期保持一致。
java堆区进一步细分的话，可以划分为年轻代(YoungGen)和老年代(OldGen) 其中年轻代可以划分为Eden空间，Survivor 0、Survivor 1 区。(或者From Survivor 、To Survivor 区 )
-
配置新生代与老年代在堆结构的占比。
默认 -XX:NewRatio=2 设置新生代与老年代在堆空间的大小，表示新生代占1，老年代占2，新生代占整个堆的1/3--------------》可修改-XX:NewRatio=4 表示新生代占1，老年代占4，新生代占整个堆的1/5 -
在HotSpot中，Eden空间和另外两个Survivor空间所占的缺省所占的比例是8:1:1 -XX:SurvivorRatio =8 新生代中Eden所占区域的大小,Eden 占8 ，Survivor 0 占1 ，Survivor 1 占1
-
绝大部分的java对象的销毁都在新生代进行了。IBM公司的专⻔研究表明，新生代中80%的对象都 是"朝生夕死"的。
-
可以使用选项“-Xmn” 设置新生代最大内存大小。这个参数一般使用默认值就可以了
-Xmn:至于这个参数则是对 -XX:newSize、-XX:MaxnewSize两个参数的同时配置，也就是说如果通过- Xmn来配置新生代的内存大小，那么-XX:newSize = -XX:MaxnewSize = -Xmn，虽然会很方便，但需要注意的是这个参数是在JDK1.4版本以后才使用的。
/**
* -Xmx600m -Xms600m
* -XX:SurvivorRatio=8 默认是8,实际是6 * -Xmn:设置新生代空间大小，一般不设置
*/
public class EdenSurvivorTest
{
public static void main(String[] args)
{
System.out.println("我只是来打酱油的");
try
{
Thread.sleep(1000000);
} catch (InterruptedException ex)
{
ex.printStackTrace();
}
}
}
2.5.6 对象分配一般过程
为新对象分配内存是一件非常严谨和复杂的任务，JVM的设计者们不仅需要考虑内存如何分配、在哪里 分配等问题，并且由于内存分配算法与内存回收算法密切相关，所以还需要考虑GC执行完内存回收后是 否会在内存空间中产生内存碎片。
-
new 的对象先放在Eden区。此区有大小限制。
-
当Eden区空间填满时，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对Eden区进行垃圾回收(Minor
GC)，将Eden区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁。再加载新的对象放到Eden区。
-
然后将Eden区中的剩余对象移动到Survivor 0区。
-
如果再次触发垃圾回收，此时上次幸存下来的放到Survivor 0区的，如果没有回收，就会放到 Survivor 1区。
-
如果再次经历垃圾回收，此时会重新放回Survivor 0区，接着再去Survivor 1区。
-
什么时候去老年代呢?可以设置次数。默认是15次。可以设置参数: -XX:MaxTenuringThreshold=进行设置。
-
在老年代，相当悠闲。当养老区内存不足是，再此触发GC:Major GC，进行老年代的内存清理。
-
若老年代执行了 Major GC 之后发现依然无法进行对象的保存，就会产生OOM异常。 java.lang.OutOfMemoryError: Java Heap Space
总结:
- 针对幸存者S0、S1区的总结:复制之后有交换，谁空谁是to。
- 关于垃圾回收:频繁在新生代收集，很少在老年代收集，几乎不在永久代/元空间收集。
对象分配的特殊情况
2.5.7 代码示例演示对象分配过程
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Random;
public class HeapInstanceTest
{
byte[] buffer = new byte[new Random().nextInt(1024 * 200)];
public static void main(String[] args)
{
List<HeapInstanceTest> list = new ArrayList<HeapInstanceTest>();
while (true)
{
list.add(new HeapInstanceTest());
try
{
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e)
{
e.printStackTrace();
}
}
}
}
2.5.8 OOM的说明与举例
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Random;
public class OOMTest {
public static void main(String[] args) {
List<Picture> list = new ArrayList<>();
while (true){
try {
Thread.sleep(20);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace(); }
list.add(new Picture(new Random().nextInt(1024 * 1024)));
}
}
}
class Picture{
private byte[] pixels;
public Picture(int length){
this.pixels = new byte[length];
}
}
2.5.9 体会堆空间分代的思想
为什么需要把java堆分代?不分代就不能正常工作了吗?
经研究，不同对象的生命周期不同，70%-99%的对象是临时对象。
新生代:有Eden、两块相同大小的Survivor(又称from/to,s0/s1)构成，to总为空
老年代:存放新生代中经历多次GC仍然存活的对象。
其实不分代完全可以，分代的唯一理由就是优化GC性能。如果没有分代，那所有的对象都在一块，就如 同把一个学校的人都关在一个教室。GC的时候要找到哪些对象没用，这样就会对堆的所有区域进行扫 描。而很多对象都是朝生夕死的，如果分代的话，把新创建的对象放到某一地方，当GC的时候先把这块 存储“朝生夕死”对象的区域进行回收，这样就会腾出很大的空间出来。
内存分配策略(或对象提升(Promotion)规则)
如果对象在Eden出生并经过第一次MinorGC后仍然存活，并且能被Survivor容纳的话，将被移动到Survivor空间中，并将对象年龄设为1.对象再Survivor区中每熬过一次MinorGC，年龄就增加1岁，当它 的年龄增加到一定程度(默认为15岁，其实每个JVM、每个GC都有所不同)时，就会被晋升到老年代中。
对于晋升老年代的年龄阀值，可以通过选项 -XX:MaxTenuringThreshold来设置
针对不同年龄段的对象分配原则如下所示:
1)优先分配到Eden
2)大对象直接分配到老年代,尽量避免程序中出现过多的大对象
3)⻓期存活的对象分配到老年代
4)动态对象年龄判断
如果Survivor区中相同年龄的所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄 的对象可以直接进入老年代，无须等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄
/**
* 测试:大对象直接进入到老年代
* -Xmx60m -Xms60m -XX:NewRatio=2 -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+PrintGCDetails */
public class YoungOldAreaTest {
public static void main(String[] args) {
byte[] buffer = new byte[1024*1024*20];//20M
}
}
2.5.10 堆空间的参数设置
官方文档：
https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html
- -XX:+PrintFlagsInitial:查看所有参数的默认初始值
- -XX:+PrintFlagsFinal:查看最终值(初始值可能被修改掉)
- -Xms:初始堆空间内存 (默认为物理内存的1/64)
- -Xmx:最大堆空间内存(默认为物理内存的1/4)
- -Xmn: 设置新生代的大小。(初始值及最大值)
- -XX:NewRatio:配置新生代与老年代在堆结构的占比
- -XX:SurvivorRatio:设置新生代中Eden和S0/S1空间的比例
- -XX:MaxTenuringThreshold 设置新生代垃圾的最大年龄
- -XX:+PrintGCDetails:输出详细的GC处理日志 打印GC简要信息: -XX:PrintGC -verbose:gc
- -XX:HandlePromotionFailure: 是否设置空间担保
2.6 方法区
2.6.1 初步认识方法区
2.6.2 方法区的基本理解
官方文档：
https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se9/html/jvms-2.html#jvms-2.5.4
《Java虚拟机规范》中明确说明:"尽管所有的方法区在逻辑上是属于堆的一部分，但一些简单的实现可 能不会选择去进行垃圾收集或者进行压缩。"但对于HotSpotJVM而言，方法区还有一个别名叫做Non- Heap(非堆)，目的就是要和堆分开。
所以，方法区可以看做是独立于java堆的内存空间
-
方法区(Method Area) 与java堆一样，是各个线程共享的内存区域
-
方法区在JVM启动的时候被创建，并且它实际的物理内存空间中和java堆区一样都可以是不连续的。
-
方法区的大小决定了系统可以保存多少个类，如果系统定义了太多的类，导致方法区溢出，虚拟机 同样会抛出内存溢出错误: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space 或者 java.lang.OutOfMemoryError:Metaspace
- 加载大量的第三方的jar包;
- Tomcat 部署的工程较多(30-50个);
- 大量动态的生成反射类
- 关闭JVM就会释放这个区域的内存
2.6.3 Hotspot中方法区的演进
在JDK7及之前，习惯上把方法区，称为永久代。jdk8开始，使用元空间取代了永久代。
本质上，方法区和永久代并不等价。仅是对hotspot而言。《java虚拟机规范》对如何实现方法区，不 做统一要求。例如:Bean ORockit 、IBM J9不存在永久代概念。
而到了JDK 8，终于完全废弃了永久代的概念，改用与JRockit、J9一样在本地内存中实现的元空间 (Metaspace)来代替
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最大的区别在与: 元空间不在虚拟机设置的内存中，而是使用本地内存。
永久代、元空间二者并不只是名字变了，内部结果也调整了。 根据《java虚拟机规范》的规定，如果方法区无法满足新的内存分配需求是，将抛出OOM异常。
而到了JDK 8，终于完全废弃了永久代的概念，改用与JRockit、J9一样在本地内存中实现的元空间 (Metaspace)来代替
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最大的区别在与: 元空间不在虚拟机设置的内存中，而是使用本地内存。
永久代、元空间二者并不只是名字变了，内部结果也调整了。 根据《java虚拟机规范》的规定，如果方法区无法满足新的内存分配需求是，将抛出OOM异常。
2.6.4 设置方法区大小参数
方法区大小不必是固定的，JVM可以根据应用的需要动态调整
- JDK7及以前:
- -XX:PermSize 来设置永久代初始分配空间。
- -XX:MaxPermSize来设定永久代最大可分配空间。
当JVM加载的类信息容量超过了这个值，会报异常java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
- JDK8及以后:
元数据大小可以使用参数:-XX:MetaspaceSize=N和-XX:MaxMetaspaceSize=N指定，替换上述原有的两 个参数。
与永久代不同，如果不指定大小，默认值情况下，虚拟机会耗尽所有的可用系统内存。如果元数据区发 生溢出，虚拟机一样会抛出异常 java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
2.6.5 OOM举例
import org.springframework.cglib.proxy.Enhancer;
import org.springframework.cglib.proxy.MethodInterceptor;
import org.springframework.cglib.proxy.MethodProxy;
import java.lang.reflect.Method;
/**
* -XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m */
public class JavaMethodAreaOOM {
public static void main(String[] args) {
while (true){
Enhancer enhancer = new Enhancer();
enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);
enhancer.setUseCache(false);
enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
@Override
public Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
return methodProxy.invoke(o,args);
}
});
enhancer.create();
}
}
static class OOMObject{
}
}
2.6.6 方法区内部结构
《深入理解Java虚拟机》书中对方法区(Method Area)存储内容描述如下:
它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等。
类型信息
对每个加载的类型(类class、接口interface、枚举enum、注解annotation)，JVM必须在方法区中存储 以下类型信息:
- 这个类的完整有效名称(全名=包名，类名)
- 这个类型直接父类的完整有效名(对于interface或是java.lang.Object，都没有父类)
- 这个类型的修饰符(public,abstract,final的某个子集)
- 这个类型直接接口的一个有序列表
域(Field)信息
JVM必须在方法区中保存类型的所有域的相关信息以及域的声明顺序。
域的相关信息包括:域名称、域类型、域修饰符(public,private,protected、static、final、 volatile,transient的某个子集
方法(Method)信息**
JVM必须保存所有方法的以下信息，同域信息一样包括声明顺序:
- 方法名称
- 方法的返回类型(或void)
- 方法参数的数量和类型(按顺序)
- 方法的修饰符(public,private,protectd,static,final,synchronized,native,abstract的一个子集)
- 方法的字节码(bytecodes)、操作数栈、局部变量表及大小(abstract和native方法除外)
异常表(abstract和native方法除外)
每个异常处理的开始位置、结束位置、代码处理在程序计数器中的偏移地址、被捕获的异常类的常量池索引