jvm内存模型

内存模型

（1）线程私有区：

• 程序计数器，记录正在执行的虚拟机字节码的地址；
• 虚拟机栈：方法执行的内存区，每个方法执行时会在虚拟机栈中创建栈帧；
• 本地方法栈：虚拟机的Native方法执行的内存区；

（2）线程共享区：

• Java堆：对象分配内存的区域；
• 方法区：存放类信息、常量、静态变量、编译器编译后的代码等数据；
  • 常量池：存放编译器生成的各种字面量和符号引用，是方法区的一部分。

    详细模型

程序计数器PC

程序计数器PC，当前线程所执行的字节码行号指示器。每个线程都有自己计数器，是私有内存空间，该区域是整个内存中较小的一块。

当线程正在执行一个Java方法时，PC计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码的地址；当线程正在执行的一个Native方法时，PC计数器则为空（Undefined）。

虚拟机栈

虚拟机栈，生命周期与线程相同，是Java方法执行的内存模型。每个方法(不包含native方法)执行的同时都会创建一个栈帧结构，方法执行过程，对应着虚拟机栈的入栈到出栈的过程。

栈帧(Stack Frame)结构

栈帧是用于支持虚拟机进行方法执行的数据结构，是属性运行时数据区的虚拟机站的栈元素。见上图， 栈帧包括：

1. 局部变量表 (locals大小，编译期确定)，一组变量存储空间， 容量以slot为最小单位。
2. 操作栈(stack大小，编译期确定)，操作栈元素的数据类型必须与字节码指令序列严格匹配
3. 动态连接， 指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，为了 动态连接使用。
   • 前面的解析过程其实是静态解析；
   • 对于运行期转化为直接引用，称为动态解析。
4. 方法返回地址
   • 正常退出，执行引擎遇到方法返回的字节码，将返回值传递给调用者
   • 异常退出，遇到Exception,并且方法未捕捉异常，那么不会有任何返回值。
5. 额外附加信息，虚拟机规范没有明确规定，由具体虚拟机实现。

因此，一个栈帧的大小不会受到

异常(Exception)

Java虚拟机规范规定该区域有两种异常：

• StackOverFlowError：当线程请求栈深度超出虚拟机栈所允许的深度时抛出
• OutOfMemoryError：当Java虚拟机动态扩展到无法申请足够内存时抛出

// 栈溢出测试源码
package com.paddx.test.memory;

/**
 * Created by root on 2/28/17.
 */
public class StackErrorMock {
    private static int index = 1;

    public void call() {
        index++;
        call();
    }

    public static void main(String[] args) {
        StackErrorMock mock = new StackErrorMock();
        try {
            mock.call();
        } catch(Throwable e) {
            System.out.println("Stack deep: " + index);
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行三次，可以看出每次栈的深度都是不一样的，输出结果如下：

本地方法栈

本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法提供内存空间，而前面讲的虚拟机栈式为Java方法提供内存空间。有些虚拟机的实现直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一，比如非常典型的Sun HotSpot虚拟机。

异常(Exception)：Java虚拟机规范规定该区域可抛出StackOverFlowError和OutOfMemoryError。

Java堆

Java堆，是Java虚拟机管理的最大的一块内存，也是GC的主战场，里面存放的是几乎所有的对象实例和数组数据。JIT编译器有栈上分配、标量替换等优化技术的实现导致部分对象实例数据不存在Java堆，而是栈内存。

• 从内存回收角度，Java堆被分为新生代和老年代；这样划分的好处是为了更快的回收内存；
• 从内存分配角度，Java堆可以划分出线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer,TLAB)；这样划分的好处是为了更快的分配内存；

对象创建的过程是在堆上分配着实例对象，那么对象实例的具体结构如下：

对于填充数据不是一定存在的，仅仅是为了字节对齐。HotSpot VM的自动内存管理要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。对象头本身是8的倍数，当对象的实例数据不是8的倍数，便需要填充数据来保证8字节的对齐。该功能类似于高速缓存行的对齐。

另外，关于在堆上内存分配是并发进行的，虚拟机采用CAS加失败重试保证原子操作，或者是采用每个线程预先分配TLAB内存.

异常(Exception)：Java虚拟机规范规定该区域可抛出OutOfMemoryError。

下面我们简单的模拟一个堆内存溢出的情况：

package com.paddx.test.memory;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * Created by root on 2/28/17.
 */
public class HeapOomMock {
    public static void main(String[] args) {
        List<byte[]> list = new ArrayList<byte[]>();
        int i = 0;
        boolean flag = true;
        while(flag) {
            try {
                i++;
                list.add(new byte[1024 * 1024]); // 每次增加1M大小的数组对象
            }catch(Throwable e) {
                e.printStackTrace();
                flag = false;
                System.out.println("Count = " + i); // 记录运行的次数
            }
        }
    }
}

首先配置运行时虚拟机的启动参数：

然后运行代码，输出结果如下：

注意，这里我们指定了堆内存的大小为16M，所以这个地方显示的Count=13(这个数字不是固定的)，至于为什么会是13或其他数字，需要根据GC日志来判断。

方法区

方法区主要存放的是已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、编译器编译后的代码等数据。GC在该区域出现的比较少。

异常(Exception)：Java虚拟机规范规定该区域可抛出OutOfMemoryError。

运行时常量池

运行时常量池也是方法区的一部分，用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用。运行时常量池除了编译期产生的Class文件的常量池，还可以在运行期间，将新的常量加入常量池，比较常见的是String类的intern()方法。

• 字面量：与Java语言层面的常量概念相近，包含文本字符串、声明为final的常量值等。
• 符号引用：编译语言层面的概念，包括以下3类：
  • 类和接口的全限定名
  • 字段的名称和描述符
  • 方法的名称和描述符

但是该区域不会抛出OutOfMemoryError异常。

jdk 1.8中的改进

PermGen永久代

绝大部分Java程序员应该都见过“java.lang.OutOfMemoryError: PremGen space”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。我们现在通过动态生成类来模拟“PermGen space”的内存溢出：

package com.paddx.test.memory;

import java.io.File;
import java.net.URL;
import java.net.URLClassLoader;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class PermGenOomMock {
	public static void main(String[] args) {
		URL url = null;
		List<ClassLoader> classLoaderList = new ArrayList<ClassLoader>();
		try {
			url = new File("/tmp").toURI().toURL();
			URL[] urls = {url};
			while(true) {
				ClassLoader loader = new URLClassLoader(urls);
				classLoaderList.add(loader);
				loader.loadClass("com.paddx.test.memory.Test");
			}
		}catch(Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
}

package com.paddx.test.memory;  
  
public class Test {}

运行结果如下：

本例中使用的JDK版本是1.7，指定的PermGen区的大小为8M。通过每次生成不同URLClassLoader对象加载Test类，从而生成不同的类对象，这样就能看到我们熟悉的“java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space”异常了。这里之所以采用JDK 1.7，是因为在JDK 1.8中，HotSpot已经没有“PermGen space”这个区间了，取而代之是一个叫做Metaspace(元空间)的东西。下面我们就来看看Metaspace与PermGen space的区别。

Metaspace(元空间)

其实，移除永久代的工作从JDK 1.7就开始了。JDK 1.7中，存储在永久代的部分数据就已经转移到Java Heap或者Native Heap。但永久代仍存在于JDK 1.7中，并没有完全移除，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。我们可以通过一段程序来比较JDK 1.6、JDK 1.7与JDK 1.8的区别，以字符串常量为例：

package com.paddx.test.memory;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class StringOomMock {
	static String base = "string";
	public static void main(String[] args) {
		List<String> list = new ArrayList<String>();
		for (int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++) {
			String str = base + base;
			base = str;
			list.add(str.intern());
		}
	}
}

这段程序以2的指数级不断的生成新的字符串，这样可以比较快速的消耗内存。我们通过JDK 1.6、JDK 1.7和JDK 1.8分别运行：

JDK 1.6的运行结果：

JDK 1.7的运行结果：

JDK 1.8的运行结果：

从上述结果可以看出，JDK 1.6下，会出现“PermGen space”的内存溢出，而在JDK 1.7和JDK 1.8中，会出现堆内存溢出，并且JDK 1.8中参数PermSize和MaxPermSize已经失效。因此，可以大致验证JDK 1.7和JDK 1.8中将字符串常量由永久代转移到堆中，并且JDK 1.8中已经不存在永久代的结论。现在我们来看一看元空间到底是一个什么东西？

JDK1.8对JVM架构的改造将类元数据放到本地内存中，另外，将常量池和静态变量放到Java堆里。HotSpot VM将会为类的元数据明确分配和释放本地内存。在这种架构下，类元信息就突破了原来-XX:MaxPermSize的限制，现在可以使用更多的本地内存。这样就从一定程度上解决了原来在运行时生成大量类造成经常Full GC问题，如运行时使用反射、代理等。所以升级以后Java堆空间可能会增加。

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的最大区别在于：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会对改值进行调整：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。

除了上面的两个指定大小的选项外，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。

现在我们在JDK 1.8重新运行一下上面第二部分(PermGen(永久代))的代码，不过这次不再指定PermSize和MaxPermSize。而是制定MetaspaceSize和MaxMetaspaceSize的大小。输出结果如下：

从输出结果，我们可以看出，这次不再出现永久代溢出，而是出现元空间的溢出。

对象分配规则

• 对象优先分配在Eden区，如果Eden区没有足够的空间时，虚拟机执行一次Minor GC。
• 大对象直接进入老年代（大对象是指需要大量连续内存空间的对象）。这样做的目的是避免在Eden区和两个Survivor区之间发生大量的内存拷贝（新生代采用复制算法收集内存）。
• 长期存活的对象进入老年代。虚拟机为每个对象定义了一个年龄计数器，如果对象经过了1次Minor GC那么对象会进入Survivor区，之后每经过一次Minor GC那么对象的年龄加1，直到达到阀值对象进入老年区。
• 动态判断对象的年龄。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。
• 空间分配担保。每次进行Minor GC时，JVM会计算Survivor区移至老年区的对象的平均大小，如果这个值大于老年区的剩余值大小则进行一次Full GC，如果小于检查HandlePromotionFailure设置，如果true则只进行Monitor GC,如果false则进行Full GC。

如何通过参数来控制个各个内存区域
参考此文章：JVM（2）：JVM内存结构

参考

1. http://gityuan.com/2016/01/09/java-memory/
2. http://blog.csdn.net/universe_ant/article/details/58585854
3. Java —— 运行时栈帧结构