精美图文带你掌握JVM内存布局
本 JVM 系列属于本人学习过程当中总结的一些知识点,目的是想让读者更快地掌握 JVM 相关的知识要点,难免会有所侧重,若想要更加系统更加详细的学习 JVM 知识,还是需要去阅读专业的书籍和文档。
本文主题内容:
JVM 内存区域概览 堆区的空间分配是怎么样?堆溢出的演示 创建一个新对象内存是怎么分配的? 方法区 到 Metaspace 元空间 栈帧是什么?栈帧里有什么?怎么理解? 本地方法栈 程序计数器 Code Cache 是什么?
注:请区分 JVM 内存结构 (内存布局) 和 JMM(Java 内存模型) 这两个不同的概念!
概念
内存是非常重要的系统资源,是硬盘和 CPU 的中间仓库及桥梁,承载着操作系统和应用程序的实时运行。JVM 内存布局规定了 Java 在运行过程中内存申请、分配、管理的策略,保证了 JVM 的高效稳定运行。
上图描述了当前比较经典的 JVM 内存布局。 (堆区画小了 2333,按理来说应该是最大的区域)
如果按照线程是否共享来分类的话,如下图所示:
PS:线程是否共享这点,实际上理解了每块区域的实际用处之后,就很自然而然的就记住了。不需要死记硬背。
下面让我们来了解下各个区域。
Heap (堆区)
1. 堆区的介绍
我们先来说堆。堆是 OOM 故障最主要的发生区域。它是内存区域中最大的一块区域,被所有线程共享,存储着几乎所有的实例对象、数组。所有的对象实例以及数组都要在堆上分配,但是随着 JIT 编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟,栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生,所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么"绝对"了。 延伸知识点:JIT 编译优化中的一部分内容 - 逃逸分析。
推荐阅读:深入理解 Java 中的逃逸分析
https://www.hollischuang.com/archives/2583
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"。从内存回收的角度来看,由于现在收集器基本都采用分代收集算法,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。从内存分配的角度来看,线程共享的 Java 堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer,TLAB)。不过无论如何划分,都与存放内容无关,无论哪个区域,存储的都仍然是对象实例,进一步划分的目的是为了更好地回收内存,或者更快地分配内存。
2. 堆区的调整
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,也可以在运行时动态地调整。
如何调整呢?
通过设置如下参数,可以设定堆区的初始值和最大值,比如 -Xms256M -Xmx 1024M ,其中 -X 这个字母代表它是 JVM 运行时参数,ms 是 memory start 的简称,中文意思就是内存初始值,mx 是 memory max 的简称,意思就是最大内存。
值得注意的是,在通常情况下,服务器在运行过程中,堆空间不断地扩容与回缩,会形成不必要的系统压力所以在线上生产环境中 JVM 的 Xms 和 Xmx 会设置成同样大小,避免在 GC 后调整堆大小时带来的额外压力。
3. 堆的默认空间分配
另外,再强调一下堆空间内存分配的大体情况。
这里可能就会有人来问了,你从哪里知道的呢?如果我想配置这个比例,要怎么修改呢?
我先来告诉你怎么看虚拟机的默认配置。命令行上执行如下命令,就可以查看当前 JDK 版本所有默认的 JVM 参数。
java -XX:+PrintFlagsFinal -version输出
对应的输出应该有几百行,我们这里去看和堆内存分配相关的两个参数
>java -XX:+PrintFlagsFinal -version [Global flags] ... uintx InitialSurvivorRatio = 8 uintx NewRatio = 2 ... java version "1.8.0_131" Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_131-b11) Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.131-b11, mixed mode)参数解释
因为新生代是由 Eden + S0 + S1 组成的,所以按照上述默认比例,如果 eden 区内存大小是 40M,那么两个 survivor 区就是 5M,整个 young 区就是 50M,然后可以算出 Old 区内存大小是 100M,堆区总大小就是 150M。 4. 堆溢出演示 /** * VM Args:-Xms10m -Xmx10m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError * @author Richard_Yi */ public class HeapOOMTest { public static final int _1MB = 1024 * 1024; public static void main(String[] args) { List byteList = new ArrayList<>(10); for (int i = 0; i < 10; i++) { byte[] bytes = new byte[2 * _1MB]; byteList.add(bytes); } } }输出 java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space Dumping heap to java_pid32372.hprof ... Heap dump file created [7774077 bytes in 0.009 secs] Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space at jvm.HeapOOMTest.main(HeapOOMTest.java:18)-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 可以让 JVM 在遇到 OOM 异常时,输出堆内信息,特别是对相隔数月才出现的 OOM 异常尤为重要。 创建一个新对象内存分配流程
看完上面对堆的介绍,我们趁热打铁再学习一下 JVM 创建一个新对象的内存分配流程。
绝大部分对象在 Eden 区生成,当 Eden 区装填满的时候,会触发 Young Garbage Collection ,即 YGC 。垃圾回收的时候,在 Eden 区实现清除策略,没有被引用的对象则直接回收。依然存活的对象会被移送到 Survivor 区。Survivor 区分为 so 和 s1 两块内存空间。每次 YGC 的时候,它们将存活的对象复制到未使用的那块空间,然后将当前正在使用的空间完全清除,交换两块空间的使用状态。如果 YGC 要移送的对象大于 Survivor 区容量的上限,则直接移交给老年代。一个对象也不可能永远呆在新生代,就像人到了 18 岁就会成年一样,在 JVM 中 -XX:MaxTenuringThreshold 参数就是来配置一个对象从新生代晋升到老年代的阈值。默认值是 15,可以在 Survivor 区交换 14 次之后,晋升至老年代。
上述涉及到一部分垃圾回收的名词,不熟悉的读者可以查阅资料或者看下本系列的垃圾回收章节。
Metaspace 元空间
在 HotSpot JVM 中,永久代( ≈ 方法区) 中用于存放类和方法的元数据以及常量池,比如 Class 和 Method 。每当一个类初次被加载的时候,它的元数据都会放到永久代中。
永久代是有大小限制的,因此如果加载的类太多,很有可能导致永久代内存溢出,即万恶的 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen ,为此我们不得不对虚拟机做调优。
那么,Java 8 中 PermGen 为什么被移出 HotSpot JVM 了?(详见:JEP 122: Remove the Permanent Generation) :
1. 由于 PermGen 内存经常会溢出,引发恼人的 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen ,因此 JVM 的开发者希望这一块内存可以更灵活地被管理,不要再经常出现这样的 OOM
2. 移除 PermGen 可以促进 HotSpot JVM 与 JRockit VM 的融合,因为 JRockit 没有永久代。
根据上面的各种原因, PermGen 最终被移除,方法区移至 Metaspace ,字符串常量池移至堆区。
准确来说,Perm 区中的字符串常量池被移到了堆内存中是在 Java7 之后,Java 8 时,PermGen 被元空间代替,其他内容比如类元信息、字段、静态属性、方法、常量等都移动到元空间区。比如 java/lang/Object 类元信息、静态属性 System.out、整形常量 100000 等。
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最大的区别在于: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。 (和后面提到的直接内存一样,都是使用本地内存)
In JDK 8, classes metadata is now stored in the native heap and this space is called Metaspace.
对应的 JVM 调参:
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