「JVM」深入剖析HotspotJVM内存区域

Myth丶恋晨 2024-05-06 21:29 92阅读 0赞

## 本文导读 ##

本文详细的讲述了Java虚拟机运行时数据区的程序计数器、虚拟机栈，本地方法栈，方法区，堆，常量池，以及直接内存(堆外内存)，对各个区域的作用，服务对象以及其中可能产生的问题展开讨论。

## JVM基础知识 ##

JVM 全称是 Java Virtual Machine，也就是我们耳熟能详的 Java 虚拟机。它能识别 .class 后缀的文件，并且能够解析它的指令，最终调用操作系统上的函数，完成我们想要的操作。

JVM是一个庞大的知识体系，可以从内存结构，内存分配策略，垃圾回收，性能监控工具，类文件结构，类加载机制，字节码执行引擎，JVM自身优化技术，程序性能调优几个方面去学习。

内存结构是了解JVM核心也是前提，同时 JVM 是一个虚拟化的操作系统，所以除了要虚拟指令之外，最重要的一个事情就是需要虚拟化内存。

## JVM内存区域 ##

这里讲解的是JVM内存的各个区域，重点讲解这些区域的作用，服务对象以及其中可能产生的问题。

宏观上JVM处于图片中虚线的位置，本篇重点讲解JVM运行时数据区

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定义：Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域，该区域内存主要分为堆、程序计数器、方法区、虚拟机栈和本地方法栈等。同时按照与线程的关系也可以这么划分区域：线程私有区域：一个线程拥有单独的一份内存区域。线程共享区域：被所有线程共享，且只有一份。这里还有一个直接内存，这个虽然不是运行时数据区的一部分，但是会被频繁使用。你可以理解成没有被虚拟机化的操作系统上的其他内存（比如操作系统上有 8G 内存，被 JVM 虚拟化了 3G，那么还剩余 5G， JVM 是借助一些工具使用这 5G 内存的，这个内存部分称之为直接内存）

## 程序计数器（Program Counter Register） ##

程序计数器是一块很小的内存空间，是当前线程执行的字节码的行号指示器，各线程之间独立存储，互不影响。主要用来记录各个线程执行的字节码的地址，例如，分支、循环、跳转、异常、线程恢复等都依赖于计数器。由于 Java 是多线程语言，当执行的线程数量超过 CPU 核数时，线程之间会根据时间片轮询争夺 CPU 资源。如果一个线程的时间片用完了，或者是其它原因导致这个线程的 CPU 资源被提前抢夺，那么这个退出的线程就需要单独的一个程序计数器，来记录下一条运行的指令。因为 JVM 是虚拟机，内部有完整的指令与执行的一套流程，所以在运行 Java 方法的时候需要使用程序计数器（记录字节码执行的地址或行号），如果是遇到本地方法（native 方法），这个方法不是 JVM 来具体执行，所以程序计数器不需要记录了，这个是因为在操作系统层面也有一个程序计数器，这个会记录本地代码的执行的地址，所以在执行 native 方法时，JVM 中程序计数器的值为空(Undefined)。另外程序计数器也是 JVM 中唯一不会 OOM(OutOfMemory)的内存区域。

## 虚拟机栈（VM Stack） ##

虚拟机栈是线程运行 java 方法所需的数据，指令、返回地址。栈的数据结构是先进后出(FILO)的数据结构，虚拟机栈的作用，在 JVM 运行过程中存储当前线程运行方法所需的数据，指令、返回地址 。虚拟机栈是基于线程的：哪怕你只有一个 main() 方法，也是以线程的方式运行的。在线程的生命周期中，参与计算的数据会频繁地入栈和出栈，栈的生命周期是和线程一样的。虚拟机栈的大小缺省为 1M，可用参数 –Xss 调整大小，例如-Xss256k。

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栈帧：在每个 Java 方法被调用的时候，都会创建一个栈帧，并入栈。一旦方法完成相应的调用，则出栈。

栈帧大体都包含四个区域：局部变量表、操作数栈、动态连接、返回地址

**一、局部变量表：** 顾名思义就是局部变量的表，用于存放我们的局部变量的（方法中的变量）。首先它是一个 32 位的长度，主要存放我们的 Java 的八大基础数据类型，一般 32 位就可以存放下，如果是 64 位的就使用高低位占用两个也可以存放下，如果是局部的一些对象，比如我们的 Object 对象，我们只需要存放它的一个引用地址即可。局部变量表在编译期间完成分配，方法在栈帧中分配多大内存是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

**二、操作数据栈：** 存放 java 方法执行的操作数的，它就是一个栈，先进后出的栈结构，操作数栈，就是用来操作的，操作的的元素可以是任意的 java 数据类型，所以我们知道一个方法刚刚开始的时候，这个方法的操作数栈就是空的。操作数栈本质上是 JVM 执行引擎的一个工作区，也就是方法在执行，才会对操作数栈进行操作，如果代码不不执行，操作数栈其实就是空的。

**三、动态连接：** Java 语言特性多态（后续章节细讲，需要结合 class 与执行引擎一起来讲）。

**四、返回地址：** 正常返回（调用程序计数器中的地址作为返回）、异常的话（通过异常处理器表<非栈帧中的>来确定）同时，虚拟机栈这个内存也不是无限大，它有大小限制，默认情况下是 1M。如果我们不断的往虚拟机栈中入栈帧，但是就是不出栈的话，那么这个虚拟机栈就会爆掉（例如方法D()会抛出**Exception in thread "main"  
java.lang.StackOverflowError**）。

public class MethodAndStack {
        public static void main(String[] args) {
            A();
        }
        public static void A() {
            B();
        }
        public static void B() {
            C();
        }
        public static void C() {
        }
        public static void D() {
            D()
        }
    }

这段代码很简单，就是起一个 main 方法，在 main 方法运行中调用 A 方法，A方法中调用 B 方法，B方法中运行C方法。我们把代码跑起来，线程1来运行这段代码， 线程1跑起来，就会有一个对应 的虚拟机栈，同时在执行每个方法的时候都会打包成一个栈帧。比如 main 开始运行，打包一个栈帧送入到虚拟机栈。C 方法运行完了，C 方法出栈，接着 B 方法运行完了，B 方法出栈、接着 A 方法运行完了，A 方法出栈，最后 main 方法运行完了，main 方法这个栈帧就出栈了。这个就是 Java 方法运行对虚拟机栈的一个影响。虚拟机栈就是用来存储线程运行方法中的数据的。而每一个方法对应一个栈帧。

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## 本地方法栈（Native Method Stact） ##

本地方法栈跟 Java 虚拟机栈的功能类似，Java 虚拟机栈用于管理 Java 函数的调用，而本地方法栈则用于管理本地方法的调用。但本地方法并不是用 Java 实现的，而是由 C 语言实现的(比如 Object.hashcode 方法)。本地方法栈是和虚拟机栈非常相似的一个区域，它服务的对象是 native 方法。你甚至可以认为虚拟机栈和本地方法栈是同一个区域。虚拟机规范无强制规定，各版本虚拟机自由实现 ，HotSpot 直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一 。本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemorryError，上述说过程序计数器不会记录本地方法栈。

## 方法区（Method Area） ##

方法区主要是用来存放已被虚拟机加载的类相关信息，包括类信息、静态变量、常量、运行时常量池、字符串常量池等。方法区是 JVM 对内存的“逻辑划分”，在 JDK1.7 及之前很多开发者都习惯将方法区称为“永久代”，是因为在 HotSpot 虚拟机中，设计人员使用了永久代来实现了 JVM 规范的方法区。在 JDK1.8 及以后使用了元空间来实现方法区。

JVM 在执行某个类的时候，必须先加载。在加载类（加载、验证、准备、解析、初始化）的时候，JVM 会先加载 class 文件，而在 class 文件中除了有类的版本、字段、方法和接口等描述信息外，还有一项信息是常量池 (Constant Pool Table)，用于存放编译期间生成的各种字面量和符号引用。字面量包括字符串（String a=“b”）、基本类型的常量（final 修饰的变量），符号引用则包括类和方法的全限定名（例如 String 这个类，它的全限定名就是 Java/lang/String）、字段的名称和描述符以及方法的名称和描述符。

JDK1.7的HotSpot中，已经把原本放入永久代的字符串常量池移出（java常量池不在堆中也不在栈中,是独立的内存空间管理。常量池：存放字符串常量和基本类型常量）

## 元空间（class metadata） ##

方法区与堆空间类似，也是一个共享内存区，所以方法区是线程共享的。假如两个线程都试图访问方法区中的同一个类信息，而这个类还没有装入 JVM，那么此时就只允许一个线程去加载它，另一个线程必须等待。在 HotSpot 虚拟机、Java7 版本中已经将永久代的静态变量和运行时常量池转移到了堆中，其余部分则存储在 JVM 的非堆内存中，而 Java8 版本已经将方法区中实现的永久代去掉了，并用元空间（class metadata）代替了之前的永久代，并且元空间的存储位置是本地内存。

元空间大小参数：jdk1.7 及以前（初始和最大值）：-XX:PermSize；-XX:MaxPermSize；jdk1.8 以后（初始和最大值）：-XX:MetaspaceSize；  
\-XX:MaxMetaspaceSizejdk1.8 以后大小就只受本机总内存的限制（如果不设置参数的话）JVM 参数参考：docs.oracle.com/javase/8/do…

**Java8 为什么使用元空间替代永久代，这样做有什么好处呢？** 官方给出的解释是：移除永久代是为了融合 HotSpot JVM 与 JRockit VM 而做出的努力，因为 JRockit 没有永久代，所以不需要配置永久代。永久代内存经常不够用或发生内存溢出，抛出异常  
java.lang.OutOfMemoryError: PermGen。这是因为在 JDK1.7 版本中，指定的 PermGen 区大小为8M，由于 PermGen 中类的元数据信息在每次 FullGC 的时候都可能被收集，回收率都偏低，成绩很难令人满意；还有为 PermGen 分配多大的空间很难确定，PermSize 的大小依赖于很多因素，比如，JVM 加载的 class 总数、常量池的大小和方法的大小等。

## 常量池与运行时常量池（Constant pool and Runtime Constant Pool） ##

而当类加载到内存中后，JVM 就会将 class 文件常量池中的内容存放到运行时的常量池中；在解析阶段，JVM 会把符号引用替换为直接引用（对象的索引值）。例如，类中的一个字符串常量在 class 文件中时，存放在 class 文件常量池中的；在 JVM 加载完类之后，JVM 会将这个字符串常量放到运行时常量池中，并在解析阶段，指定该字符串对象的索引值。运行时常量池是全局共享的，多个类共用一个运行时常量池，class 文件中常量池多个相同的字符串在运行时常量池只会存在一份。

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常量池有很多概念，包括运行时常量池、class 常量池、字符串常量池。虚拟机规范只规定以上区域属于方法区，并没有规定虚拟机厂商的实现。严格来说是静态常量池和运行时常量池，静态常量池是存放字符串字面量、符号引用以及类和方法的信息，而运行时常量池存放的是运行时一些直接引用。运行时常量池并不只有编译期能产生（预置入Class文件中），运行期间也可能产生新的常量池（使用较多是String类的intern()方法）

运行时常量池是在类加载完成之后，将静态常量池中的符号引用值转存到运行时常量池中，类在解析之后，将符号引用替换成直接引用。运行时常量池在 JDK1.7 版本之后，就移到堆内存中了，这里指的是物理空间，而逻辑上还是属于方法区（方法区是逻辑分区）。所谓静态常量池，也就是上图\*.class文件中的常量池。

## 堆（Heap） ##

堆是 JVM 上最大的内存区域，我们申请的几乎所有的对象，都是在这里存储的。我们常说的垃圾回收，操作的对象就是堆。堆空间一般是程序启动时，就申请了，但是并不一定会全部使用。堆一般设置成可伸缩的。随着对象的频繁创建，堆空间占用的越来越多，就需要不定期的对不再使用的对象进行回收。这个在 Java 中，就叫作 GC（Garbage Collection）。

那一个对象创建的时候，到底是在堆上分配，还是在栈上分配呢？这和两个方面有关：对象的类型和在 Java 类中存在的位置。Java 的对象可以分为基本数据类型和普通对象。对于普通对象来说，JVM 会首先在堆上创建对象，然后在其他地方使用的其实是它的引用。比如，把这个引用保存在虚拟机栈的局部变量表中。对于基本数据类型来说（byte、short、int、long、float、double、char)，有两种情况。当你在方法体内声明了基本数据类型的对象，它就会在栈上直接分配。其他情况，都是在堆上分配。

堆大小参数：-Xms：堆的最小值；-Xmx：堆的最大值；-Xmn：新生代的大小；-XX:NewSize；新生代最小值；-XX:MaxNewSize：新生代最大值；例如- Xmx256m

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## 符号引用 ##

符号引用则属于编译原理方面的概念，包括了如下三种类型的常量：类和接口的全限定名、字段名称和描述符、方法名称和描述符。

一个 java 类（假设为 People 类）被编译成一个 class 文件时，如果 People 类引用了 Tool 类，但是在编译时 People 类并不知道引用类的实际内存地址，因此只能使用符号引用来代替。而在类装载器装载 People 类时，此时可以通过虚拟机获取 Tool 类的实际内存地址，因此便可以既将符号 org.simple.Tool 替换为 Tool 类的实际内存地址，及直接引用地址。

即在编译时用符号引用来代替引用类，在加载时再通过虚拟机获取该引用类的实际地址，以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局是无关的，引用的目标不一定已经加载到内存中。

## 直接内存（堆外内存） ##

直接内存有一种更加科学的叫法，堆外内存。JVM 在运行时，会从操作系统申请大块的堆内存，进行数据的存储；同时还有虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器，这块称之为栈区。操作系统剩余的内存也就是堆外内存。它不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是 java 虚拟机规范中定义的内存区域；如果使用了 NIO,这块区域会被频繁使用，在 java 堆内可以用directByteBuffer 对象直接引用并操作；

这块内存不受 java 堆大小限制，但受本机总内存的限制，可以通过-XX:MaxDirectMemorySize 来设置（默认与堆内存最大值一样），所以也会出现 OOM 异常。

1、直接内存主要是通过 DirectByteBuffer 申请的内存，可以使用参数“MaxDirectMemorySize”来限制它的大小。2、其他堆外内存，主要是指使用了 Unsafe 或者其他 JNI 手段直接直接申请的内存。

堆外内存的泄漏是非常严重的，它的排查难度高、影响大，甚至会造成主机的死亡。后续章节会详细讲。

同时，要注意 Oracle 之前 计划在 Java 9 中去掉 sun.misc.Unsafe API 。这里删除 sun.misc.Unsafe 的原因之一是使 Java 更加安全，并且有替代方案。目前我们主要针对的 JDK1.8 ，JDK1.9 暂时不放入讨论范围中，我们大致知道 java 的发展即可。

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