JVM內(nèi)存劃分機(jī)制的使用詳解
一、JVM 執(zhí)行流程
程序在執(zhí)行之前先要把 java 代碼轉(zhuǎn)換成字節(jié)碼（class文件），JVM 首先需要把字節(jié)碼通過一定的方式：類加載器（ClassLoader） 把文件加載到內(nèi)存中運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)（Runtime Data Area），而字節(jié)碼文件是 JVM 的一套指令集規(guī)范，并不能直接交個(gè)底層操作系統(tǒng)去執(zhí)行，因此需要特定的命令解析器 “執(zhí)行引擎（Execution Engine）”將字節(jié)碼翻譯成底層系統(tǒng)指令再交由CPU去執(zhí)行，而這個(gè)過程中需要調(diào)用其他語言的接口，本地庫接口（Native Interface） 來實(shí)現(xiàn)整個(gè)程序的功能，這就是這4個(gè)主要組成部分的職責(zé)與功能。
總結(jié)來看，JVM 主要通過分為以下 4 個(gè)部分，來執(zhí)行 Java 程序的：
- 類加載器（ClassLoader）
- 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)（Runtime Data Area）
- 執(zhí)行引擎（Execution Engine）
- 本地庫接口（Native Interface）
二、JVM 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)
JVM 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域也叫內(nèi)存布局，但需要注意的是它和 Java 內(nèi)存模型（(Java Memory Model，簡(jiǎn)稱 JMM）完全不同，屬于完全不同的兩個(gè)概念，它由以下 5 大部分組成：
2.1 堆（線程共享）
堆的作用：程序中創(chuàng)建的所有對(duì)象都在保存在堆中。
我們常見的 JVM 參數(shù)設(shè)置 -Xms10m 最小啟動(dòng)內(nèi)存是針對(duì)堆的，-Xmx10m 最大運(yùn)行內(nèi)存也是針對(duì)堆的。
ms 是 memory start 簡(jiǎn)稱，mx 是 memory max 的簡(jiǎn)稱。
堆里面分為兩個(gè)區(qū)域：新生代和老生代，新生代放新建的對(duì)象，當(dāng)經(jīng)過一定 GC 次數(shù)之后還存活的對(duì)象會(huì)放入老生代。新生代還有 3 個(gè)區(qū)域：一個(gè) Endn + 兩個(gè) Survivor（S0/S1）。
垃圾回收的時(shí)候會(huì)將 Endn 中存活的對(duì)象放到一個(gè)未使用的 Survivor 中，并把當(dāng)前的 Endn 和正在使用的 Survivor 清楚掉。
2.2 Java虛擬機(jī)棧（線程私有）
Java 虛擬機(jī)棧的作用：Java 虛擬機(jī)棧的生命周期和線程相同，Java 虛擬機(jī)棧描述的是 Java 方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個(gè)方法在執(zhí)行的同時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀（Stack Frame）用于存儲(chǔ)局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息。常說的堆內(nèi)存、棧內(nèi)存中，棧內(nèi)存指的就是虛擬機(jī)棧。 Java 虛擬機(jī)棧中包含了以下 4 部分：
- 局部變量表： 存放了編譯器可知的各種基本數(shù)據(jù)類型(8大基本數(shù)據(jù)類型)、對(duì)象引用。局部變量表所需的內(nèi)存空間在編譯期間完成分配，當(dāng)進(jìn)入一個(gè)方法時(shí)，這個(gè)方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的，在執(zhí)行期間不會(huì)改變局部變量表大小。簡(jiǎn)單來說就是存放方法參數(shù)和局部變量。
- 操作棧：每個(gè)方法會(huì)生成一個(gè)先進(jìn)后出的操作棧。
- 動(dòng)態(tài)鏈接：指向運(yùn)行時(shí)常量池的方法引用。
- 方法返回地址：PC 寄存器的地址。
什么是線程私有?
由于JVM的多線程是通過線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時(shí)間的方式來實(shí)現(xiàn)，因此在任何一個(gè)確定的時(shí)刻，一個(gè)處理器(多核處理器則指的是一個(gè)內(nèi)核)都只會(huì)執(zhí)行一條線程中的指令。因此為了切換線程后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，各條線程之間計(jì)數(shù)器互不影響，獨(dú)立存儲(chǔ)。我們就把類似這類區(qū)域稱之為"線程私有"的內(nèi)存。
2.3 本地方法棧（線程私有）
本地方法棧和虛擬機(jī)棧類似，只不過 Java 虛擬機(jī)棧是給 JVM 使用的，而本地方法棧是給本地方法使用的。
2.4 程序計(jì)數(shù)器（線程私有）
程序計(jì)數(shù)器的作用：用來記錄當(dāng)前線程執(zhí)行的行號(hào)的。
程序計(jì)數(shù)器是一塊比較小的內(nèi)存空間，可以看做是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。 如果當(dāng)前線程正在執(zhí)行的是一個(gè)Java方法，此計(jì)數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址；如果正在執(zhí)行的是一個(gè)Native方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器值為空。
程序計(jì)數(shù)器內(nèi)存區(qū)域是唯一一個(gè)在JVM規(guī)范中沒有規(guī)定任何OOM情況的區(qū)域！
2.5 方法區(qū)（線程共享）
方法區(qū)的作用：用來存儲(chǔ)被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)的。
在《Java虛擬機(jī)規(guī)范中》把此區(qū)域稱之為“方法區(qū)”，而在 HotSpot 虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)中，在 JDK 7 時(shí)此區(qū)域叫做永久代（PermGen），JDK 8 中叫做元空間（Metaspace）。
JDK 1.8 元空間的變化：
- 對(duì)于 HotSpot 來說，JDK 8 元空間的內(nèi)存屬于本地內(nèi)存，這樣元空間的大小就不在受 JVM 最大內(nèi)存的參數(shù)影響了，而是與本地內(nèi)存的大小有關(guān)。
- JDK 8 中將字符串常量池移動(dòng)到了堆中。
2.6 運(yùn)行時(shí)常量池
運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分，存放字面量與符號(hào)引用。
- 字面量 : 字符串(JDK 8 移動(dòng)到堆中) 、final常量、基本數(shù)據(jù)類型的值。
- 符號(hào)引用 : 類和結(jié)構(gòu)的完全限定名、字段的名稱和描述符、方法的名稱和描述符。
三、內(nèi)存布局中的異常問題
3.1 Java堆溢出
Java堆用于存儲(chǔ)對(duì)象實(shí)例，只要不斷的創(chuàng)建對(duì)象，并且保證GC Roots到對(duì)象之間有可達(dá)路徑來避免來 GC 清除這些對(duì)象，那么在對(duì)象數(shù)量達(dá)到最大堆容量后就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存溢出異常。
Java堆內(nèi)存的OOM異常是實(shí)際應(yīng)用中最常見的內(nèi)存溢出情況。當(dāng)出現(xiàn)Java堆內(nèi)存溢出時(shí)，異常堆棧信息"java.lang.OutOfMemoryError"會(huì)進(jìn)一步提示"Java heap space"。當(dāng)出現(xiàn)"Java heap space"則很明確的告知我們，OOM發(fā)生在堆上。
此時(shí)要對(duì)Dump出來的文件進(jìn)行分析，以MAT為例。分析問題的產(chǎn)生到底是出現(xiàn)了內(nèi)存泄漏(Memory Leak)還是內(nèi)存溢出(Memory Overflow)
- 內(nèi)存泄漏 : 泄漏對(duì)象無法被GC。
- 內(nèi)存溢出 : 內(nèi)存對(duì)象確實(shí)還應(yīng)該存活。此時(shí)要根據(jù)JVM堆參數(shù)與物理內(nèi)存相比較檢查是否還應(yīng)該把JVM 堆內(nèi)存調(diào)大；或者檢查對(duì)象的生命周期是否過長。
3.2 虛擬機(jī)棧和本地方法棧溢出
由于HotSpot虛擬機(jī)將虛擬機(jī)棧與本地方法棧合二為一，因此對(duì)于HotSpot來說，棧容量只需要由-Xss參數(shù)來設(shè)置。
關(guān)于虛擬機(jī)棧會(huì)產(chǎn)生的兩種異常：
- 如果線程請(qǐng)求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的最大深度，會(huì)拋出StackOverFlow異常。
- 如果虛擬機(jī)在拓展棧時(shí)無法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存空間，則會(huì)拋出OOM異常。
總結(jié)
以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。
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