内存篇：JVM内存结构

比眉伴天荒 2023-10-08 09:11 23阅读 0赞

Java8相对之前的版本，JVM结构发生了较大的变化，取消了永久代，新增了元空间，同时，元空间不再与堆连续，而且是存在于本地内存（Native memory）。下面，以Java8为例，对JVM结构做一番总结。

#### JVM内存结构 ####

*  1 JVM结构详解
 *   *  1.1 堆（Heap）
     *  1.2 方法区（Method Area）
     *  1.3 程序计数器（Program Counter Register）
     *  1.4 虚拟机栈（JVM Stacks）
     *  1.5 本地方法栈（Native Method Stacks）
 *  2 Java8内存变化
 *   *  2.1 永久代
     *  2.2 元空间(Metaspace)
     *  2.3 永久代为什么被替换了

## 1 JVM结构详解 ##

首先，看下最新的JVM结构图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L211X3dpbmQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]

### 1.1 堆（Heap） ###

堆具有以下特点：

*  堆内存最大
 *  堆是被线程共享，
 *  堆的目的就是存放对象，几乎所有的对象实例都在此分配。当然，随着优化技术的更新，某些数据也会被放在栈上等。

因为堆占用内存空间最大，堆也是Java垃圾回收的主要区域（重点对象），因此也称作“GC堆”（Garbage Collected Heap）。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L211X3dpbmQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
同样，对上图呈现内容汇总分析：

*  堆的GC操作采用分代收集算法。
 *  堆区分了新生代和老年代。
 *  新生代又分为：Eden空间、From Survivor（S0）空间、To Survivor（S1）空间。

Java虚拟机规范规定，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。也就是说堆的内存是一块块拼凑起来的。要增加堆空间时，往上“拼凑”（可扩展性）即可，但当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。

### 1.2 方法区（Method Area） ###

方法区与堆有很多共性：线程共享、内存不连续、可扩展、可垃圾回收，同样当无法再扩展时会抛出OutOfMemoryError异常。

正因为如此相像，Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但目前实际上是与Java堆分开的（Non-Heap）。

方法区个性化的是，它存储的是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。

方法区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，但是回收确实是有必要的。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L211X3dpbmQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

### 1.3 程序计数器（Program Counter Register） ###

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机概念模型里（概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式实现），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、跳转、循环、异常处理、线程恢复等基础操作都会依赖这个计数器来完成。每个线程都有独立的程序计数器，用来在线程切换后能恢复到正确的执行位置，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储。所以它是一个“线程私有”的内存区域。此内存区域是唯一一个在JVM规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L211X3dpbmQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
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）。

### 1.4 虚拟机栈（JVM Stacks） ###

虚拟机栈是线程私有的内存区域，生命周期与线程相同。它描述的是Java方法执行的内存模型，每个方法执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储**局部变量表**、**操作数栈**、**动态链接**、**方法出口**等信息。每个方法从调用直至完成的过程，都对应着一个栈帧从入栈到出栈的过程。每当一个方法执行完成时，该栈帧就会弹出栈帧的元素作为这个方法的返回值，并且清除这个栈帧，Java栈的栈顶的栈帧就是当前正在执行的活动栈，也就是当前正在执行的方法。就像是组成动画的一帧一帧的图片，方法的调用过程也是由栈帧切换来产生结果。

很多开发人员会把Java内存分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种划分的流行只能说明大多数开发人员最关注、与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块，其中所指的“堆”在后面会讲到，而所指的“栈”就是JVM栈，或者说是JVM栈中的局部变量表部分。实际上Java内存区域的划分远比这要复杂。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L211X3dpbmQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

*  局部变量表(Local Variable Table)是一组变量值存储空间，用于存放方法参数和方法内定义的局部变量。包括8种基本数据类型（int、short、byte、char、double、float、long、boolean）、对象引用（reference类型）和returnAddress类型（指向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。  
    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；如果虚拟机栈动态扩展时无法申请到足够的内存时会抛出**OutOfMemoryError**异常。
 *  操作数栈(Operand Stack)也称作操作栈，是一个后入先出栈(LIFO)。随着方法执行和字节码指令的执行，会从局部变量表或对象实例的字段中复制常量或变量写入到操作数栈，再随着计算的进行将栈中元素出栈到局部变量表或者返回给方法调用者，也就是出栈/入栈操作。
 *  动态链接：Java虚拟机栈中，每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈所属方法的符号引用，持有这个引用的目的是为了支持方法调用过程中的动态链接(Dynamic Linking)。
 *  方法返回：无论方法是否正常完成，都需要返回到方法被调用的位置，程序才能继续进行。

### 1.5 本地方法栈（Native Method Stacks） ###

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈作用相似，也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

区别在于虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（字节码）服务，而本地方法栈是为虚拟机使用到的Native方法服务。  
小结  
经过上面的讲解，想必大家已经了解到JVM内存结构的基本情况。下面对照脑图，归纳总结一下，看你能说出来多少。  
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## 2 Java8内存变化 ##

### 2.1 永久代 ###

首先，认识一个概念：永久代(Permanet Generation，也称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。  
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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，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。

### 2.2 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）。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L211X3dpbmQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]  
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。  
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。

### 2.3 永久代为什么被替换了 ###

思考一下，为什么使用元空间替换永久代？  
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。

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