【JVM系列】jvm内存结构详解

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前言

我们为什么要学习JVM？

1. 面试的需要
2. 中高级程序员的必备技能（项目管理、调优的需要）
3. 极客精神（ 比如：垃圾算法回收、JIT、底层原理）

HotSpot VM介绍

HotSpot历史

• 最初由一加名为"Longview Technologies"的小公司设计。
• 1997年,此公司被Sun收购;2009年,Sun公司被甲骨文收购。
• JDK1.3时,HotSpot VM称为默认虚拟机。

目前HotSpot占有绝对的时长地位,称霸武林。

• 不管是现在仍在广泛使用的JDK6,还是使用比例较多的JDK8中,默认的虚拟机都是HotSpot。
• Sun/Oracle JDK和OpenJDK的默认虚拟机。

从服务器、桌面到移动端、嵌入式都有应用，名称中的HotSpot指的就是它的热点代码探测技术。

• 通过计数器找到最具编译价值代码,触发即时编译或栈上替换
• 通过编译器与解释器协同工作,在最优化的程序响应时间与最佳执行性能中取得平衡

内存结构

关于类加载的详细过程可以阅读一下深入理解Java类加载机制这篇文章

JVM的内存模型图

程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）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，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Natvie方法，这个计数器值则为空（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。

JVM栈

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被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从入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1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。

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：

• 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；

• 如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（譬如Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆

对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。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。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”。如果从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。

根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。

如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。

对于习惯在HotSpot虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。

Java虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是有必要的。

根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

HotSpot中方法区的变化

jdk版本	区别
jdk1.6及之前	有永久代，静态变量存放在永久代上
jdk1.7	有永久代，但已经逐步去“永久代”，字符串常量池、静态变量移除，保存着堆中
jdk1.8及之后	无永久代，类型信息、字段、方法、常量保存在本地内存的元空间，但字符串常量池、静态变量仍在堆中

运行时常量池

• 运行时常量池是在方法区的一部分；

• Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池(Constant Pool Table)，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将类在加载后进入方法区的运行时常量池中存放；

• Java虚拟机对Class文件每一部分(自然也包括常量池)的格式都有严格规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、加载和执行，但是对于运行时常量池，《Java虚拟机规范》没有做任何细节的要求，不用的提供上实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个内存区域，不过一般来说，除了保存Class文件中描述的符号引用外,还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中；

• 运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征就是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有在编译期才能产生，也就是说，并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法。

• 既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

永久代和元空间

为了更细化的讲解，先看下java7及以前版本JVM内存结构图

堆和方法区连在了一起，但这并不能说堆和方法区是一起的，它们在逻辑上依旧是分开的。但在物理上来说，它们又是连续的一块内存。

也就是说，方法区和前面讲到的Eden和老年代是连续的。

永久代（PermGen）

对于习惯了在HotSpot虚拟机上开发、部署的程序员来说，很多都愿意将方法区称作永久代。

本质上来讲两者并不等价，仅因为Hotspot将GC分代扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区。在其他虚拟机上是没有永久代的概念的。也就是说方法区是规范，永久代是Hotspot针对该规范进行的实现。

理解上面的概念之后，我们对Java7及以前版本的堆和方法区的构造再进行一下变动。

对Java7及以前版本的Hotspot中方法区位于永久代中。同时，永久代和堆是相互隔离的，但它们使用的物理内存是连续的。

永久代的垃圾收集是和老年代捆绑在一起的，因此无论谁满了，都会触发永久代和老年代的垃圾收集。

但在Java7中永久代中存储的部分数据已经开始转移到Java Heap或Native Memory中了。比如，符号引用(Symbols)转移到了Native Memory；字符串常量池(interned strings)转移到了Java Heap；类的静态变量(class statics)转移到了Java Heap。

然后，在Java8中，时代变了，Hotspot取消了永久代。永久代真的成了永久的记忆。永久代的参数-XX:PermSize和-XX：MaxPermSize也随之失效。

元空间（Metaspace）

对于Java8，HotSpots取消了永久代，那么是不是就没有方法区了呢？当然不是，方法区只是一个规范，只不过它的实现变了。

在Java8中，元空间(Metaspace)登上舞台，方法区存在于元空间(Metaspace)。同时，元空间不再与堆连续，而且是存在于本地内存（Native memory）。

本地内存（Native memory），也称为C-Heap，是供JVM自身进程使用的。当Java Heap空间不足时会触发GC，但Native memory空间不够却不会触发GC。

针对Java8的调整，我们再次对内存结构图进行调整。

元空间存在于本地内存，意味着只要本地内存足够，它不会出现像永久代中java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space这种错误。

默认情况下元空间是可以无限使用本地内存的，但为了不让它如此膨胀，JVM同样提供了参数来限制它使用的使用。

• -XX:MetaspaceSize，class metadata的初始空间配额，以bytes为单位，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，就适当的降低该值；如果释放了很少的空间，那么在不超过MaxMetaspaceSize（如果设置了的话），适当的提高该值。

• -XX：MaxMetaspaceSize，可以为class metadata分配的最大空间。默认是没有限制的。

• -XX：MinMetaspaceFreeRatio,在GC之后，最小的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为class metadata分配空间导致的垃圾收集。

• -XX:MaxMetaspaceFreeRatio,在GC之后，最大的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为class metadata释放空间导致的垃圾收集。

面试官 | JVM 为什么使用元空间替换了永久代？

• 表面上看是为了避免OOM异常。因为通常使用PermSize和MaxPermSize设置永久代的大小就决定了永久代的上限，但是不是总能知道应该设置为多大合适, 如果使用默认值很容易遇到OOM错误。

• 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。

• 更深层的原因还是要合并HotSpot和JRockit的代码，JRockit从来没有所谓的永久代，也不需要开发运维人员设置永久代的大小，但是运行良好。同时也不用担心运行性能问题了,在覆盖到的测试中, 程序启动和运行速度降低不超过1%，但是这点性能损失换来了更大的安全保障。

直接内存

在JVM的内存模型，里面并不包含直接内存，也就是说这块内存区域并不是JVM运行时数据区的一部分，但它却会被频繁的使用，原因是NIO这个包；

NIO（New input/output）是JDK1.4中新加入的类，引入了一种基于通道（channel）和缓冲区（buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过堆上的DirectByteBuffer对象对这块内存进行引用和操作。

可以看出，直接内存的大小并不受到java堆大小的限制，甚至不受到JVM进程内存大小的限制。它只受限于本机总内存（RAM及SWAP区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制（最常见的就是32位/64位CPU的最大寻址空间限制不同）。

总结

本篇文章参考：

• 周志明老师的《深入理解Java虚拟机》

• 尚硅谷JVM全套教程，百万播放，全网巅峰（宋红康详解java虚拟机）