jvm体系结构

一、Jvm 的介绍

1、JVM体系结构

2、JVM运行时数据区

3、JVM内存模型

JVM运行时内存 = 共享内存区 + 线程内存区

3.1、共享内存区

共享内存区 = 持久带(方法区 + 其他)+ 堆(Old Space + Young Space(den + S0 + S1))

持久代：

JVM用持久带（Permanent Space）实现方法区，主要存放所有已加载的类信息，方法信息，常量池等等。可通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize来指定持久带初始化值和最大值。Permanent Space并不等同于方法区，只不过是Hotspot JVM用Permanent Space来实现方法区而已，有些虚拟机没有Permanent Space而用其他机制来实现方法区。

堆(heap):

主要用来存放类的对象实例信息（包括new操作实例化的对象和定义的数组）。

堆分为Old Space（又名，Tenured Generation）和Young Space。Old Space主要存放应用程序中生命周期长的存活对象；Eden(伊甸园)主要存放新生的对象；S0和S1是两个大小相同的内存区域，主要存放每次垃圾回收后Eden存活的对象，作为对象从Eden过渡到Old Space的缓冲地带（S是指英文单词Survivor Space）。堆之所以要划分区间，是为了方便对象创建和垃圾回收.

3.2、线程内存区

线程内存区（JVM栈）：

线程内存区=单个线程内存+单个线程内存+.......

单个线程内存=PC Regster+JVM栈+本地方法栈

JVM栈=栈帧+栈帧+.....

栈帧=局域变量区+操作数区+帧数据区

在Java中，一个线程会对应一个JVM栈(JVM Stack)，JVM栈里记录了线程的运行状态。JVM栈以栈帧为单位组成，一个栈帧代表一个方法调用。栈帧由三部分组成：局部变量区、操作数栈、帧数据区。

线程在栈区，不能共享数据，只能通过复制共享区的数据作为一块缓存，所有多线程写会有bug，voliate使得取到的数据不做缓存，是实时更新的。关键字 volatile 是轻量级的同步机制。

Volatile 变量对于all线程的可见性，指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他 线程来说是可见的、立即得知的。 Volatile 变量在多线程下不一定安全，因为他只有可见性、有序性，但是没有原子性。

二、JVM内存空间管理

JVM把内存划分了如下几个区域：

共享内存区 = 持久带(方法区 + 其他)+ 堆(Old Space + Young Space(den + S0 + S1))；

Java 内存模型和线程:

每个线程都有一个工作内存，线程只可以修改自己工作内存中的数据，然后再同步回主内存，主内存由多个内存共享。

2.1 方法区（共享内存区的持久带）

方法区 (又称为持久代)：要加载的类的信息（名称、修饰符等）、类中的静态变量、类中定义为final类型的常量、类中的Field信息、类中的方法信息。方法区域也是全局共享的，当开发人员调用类对象中的getName、isInterface等方法来获取信息时，这些数据都来源于方法区。

在一定条件下它也会被GC，当方法区域要使用的内存超过其允许的大小时，会抛出OutOfMemory：PermGen Space异常。的错误信息。在Sun JDK中这块区域对应Permanet Generation，，默认最小值为16MB，最大值为64MB，可通过-XX:PermSize及-XX:MaxPermSize来指定最小值和最大值。

在Hotspot虚拟机中，这块区域对应的是Permanent Generation(持久代)，一般的，方法区上执行的垃圾收集是很少的，因此方法区又被称为持久代的原因之一，但这也不代表着在方法区上完全没有垃圾收集，其上的垃圾收集主要是针对常量池的内存回收和对已加载类的卸载。在方法区上进行垃圾收集，条件苛刻而且相当困难，关于其回后面再介绍。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，用于存储编译期就生成的字面常量、符号引用、翻译出来的直接引用（符号引用就是编码是用字符串表示某个变量、接口的位置，直接引用就是根据符号引用翻译出来的地址，将在类链接阶段完成翻译）；

运行时常量池除了存储编译期常量外，也可以存储在运行时间产生的常量，比如String类的intern()方法，作用是String维护了一个常量池，如果调用的字符“abc”已经在常量池中，则返回池中的字符串地址，否则，新建一个常量加入池中，并返回地址。JVM方法区的相关参数，最小值：--XX:PermSize；最大值 --XX:MaxPermSize。

2.2 堆区(堆区由所有线程共享)

堆用于存储对象实例及数组值，可以认为Java中所有通过new创建的对象的内存都在此分配，堆区由所有线程共享。Heap中对象所占用的内存由GC进行回收，在32位操作系统上最大为2GB，在64位操作系统上则没有限制，其大小可通过-Xms和-Xmx来控制，-Xms为JVM启动时申请的最小Heap内存，默认为物理内存的1/64但小于1GB；-Xmx为JVM可申请的最大Heap内存，默认为物理内存的1/4但小于1GB，默认当空余堆内存小于40%时，JVM会增大Heap到-Xmx指定的大小，可通过-XX:MinHeapFreeRatio=来指定这个比例；当空余堆内存大于70%时，JVM会减小Heap的大小到-Xms指定的大小，可通过-XX:MaxHeapFreeRatio=来指定这个比例，对于运行系统而言，为避免在运行时频繁调整Heap 的大小，通常将-Xms和-Xmx的值设成一样。

堆区是理解JavaGC机制最重要的区域。在JVM所管理的内存中，堆区是最大的一块，堆区也是JavaGC机制所管理的主要内存区域，堆区由所有线程共享，在虚拟机启动时创建。堆区用来存储对象实例及数组值，可以认为java中所有通过new创建的对象都在此分配。

2.3 本地方法栈（Native Method Stack）

本地方法栈用于支持native方法的执行，存储了每个native方法调用的状态。本地方法栈和虚拟机方法栈运行机制一致，它们唯一的区别就是，虚拟机栈是执行Java方法的，而本地方法栈是用来执行native方法的，在很多虚拟机中（如Sun的JDK默认的HotSpot虚拟机），会将本地方法栈与虚拟机栈放在一起使用。

2.4 虚拟机栈（JVM Stack）(线程私有)

JVM方法栈：为线程私有，其在内存分配上非常高效。当方法运行完毕时，其对应的栈帧所占用的内存也会自动释放。当JVM方法栈空间不足时，会抛出StackOverflowError的错误，在Sun JDK中可以通过-Xss来指定其大小。

虚拟机栈占用的是操作系统内存，每个线程都对应着一个虚拟机栈，它是线程私有的，而且分配非常高效。一个线程的每个方法在执行的同时，都会创建一个栈帧（Statck Frame），栈帧中存储的有局部变量表、操作站、动态链接、方法出口等，当方法被调用时，栈帧在JVM栈中入栈，当方法执行完成时，栈帧出栈。

局部变量表中存储着方法的相关局部变量，包括各种基本数据类型，对象的引用，返回地址等。在局部变量表中，只有long和double类型会占用2个局部变量空间（Slot，对于32位机器，一个Slot就是32个bit），其它都是1个Slot。需要注意的是，局部变量表是在编译时就已经确定好的，方法运行所需要分配的空间在栈帧中是完全确定的，在方法的生命周期内都不会改变。

虚拟机栈中定义了两种异常，如果线程调用的栈深度大于虚拟机允许的最大深度，则抛出StatckOverFlowError（栈溢出）；不过多数Java虚拟机都允许动态扩展虚拟机栈的大小(有少部分是固定长度的)，所以线程可以一直申请栈，直到内存不足，此时，会抛出OutOfMemoryError（内存溢出）。

2.5 程序计数器（Program Counter Register)(线程私有)

程序计数器是一个比较小的内存区域，可能是CPU寄存器或者操作系统内存，其主要用于指示当前线程所执行的字节码执行到了第几行，可以理解为是当前线程的行号指示器。字节码解释器在工作时，会通过改变这个计数器的值来取下一条语句指令。 每个程序计数器只用来记录一个线程的行号，所以它是线程私有（一个线程就有一个程序计数器）的。

如果程序执行的是一个Java方法，则计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令地址；如果正在执行的是一个本地（native，由C语言编写完成）方法，则计数器的值为Undefined，由于程序计数器只是记录当前指令地址，所以不存在内存溢出的情况，因此，程序计数器也是所有JVM内存区域中唯一一个没有定义OutOfMemoryError的区域。

三、内存溢出与内存泄漏

内存泄漏：分配出去的内存回收不了

内存溢出：指系统内存不够用了

1、堆溢出

可以分为：内存泄漏和内存溢出，这两种情况都会抛出OutOfMemoryError:java heap space异常：

a、内存泄漏：

内存泄漏是指对象实例在新建和使用完毕后，仍然被引用，没能被垃圾回收释放，一直积累，直到没有剩余内存可用。如果内存泄露，我们要找出泄露的对象是怎么被GC ROOT引用起来，然后通过引用链来具体分析泄露的原因。分析内存泄漏的工具有：Jprofiler，visualvm等。

public class OOMTest {  

public static void main(String[] args) {             

        List<UUID> list = new ArrayList<UUID>();  

       while(true){  

            list.add(UUID.randomUUID());  

        }  

    }     

}

看看控制台的输出结果，因为我这边的JVM设置的参数内存足够大，所以需要等待一定的时间，才能看到效果：

b、内存溢出

内存溢出是指当我们新建一个实力对象时，实例对象所需占用的内存空间大于堆的可用空间。如果出现了内存溢出问题，这往往是程序本生需要的内存大于了我们给虚拟机配置的内存，这种情况下，我们可以采用调大-Xmx来解决这种问题。

public class OOMTest_1 {  

    public static void main(String args[]){  

        List<byte[]> byteList = new ArrayList<byte[]>();  

        byteList.add(new byte[1000 * 1024 * 1024]);  

    }  

}  

2、栈溢出

栈（JVM Stack）存放主要是栈帧( 局部变量表, 操作数栈 , 动态链接 , 方法出口信息 )的地方。注意区分栈和栈帧：栈里包含栈帧。

与线程栈相关的内存异常有两个：:

a：StackOverflowError(方法调用层次太深，内存不够新建栈帧)

b：OutOfMemoryError（线程太多，内存不够新建线程）

a、java.lang.StackOverflowError

栈溢出抛出java.lang.StackOverflowError错误，出现此种情况是因为方法运行的时候，请求新建栈帧时，栈所剩空间小于栈帧所需空间。例如，通过递归调用方法,不停的产生栈帧,一直把栈空间堆满,直到抛出异常 ：

public class SOFTest {  

    public void stackOverFlowMethod(){  

        stackOverFlowMethod();  

    }  

    /** 

        * 通过递归调用方法,不停的产生栈帧,一直把栈空间堆满,直到抛出异常 ： 

        * @param args 

        */  

    public static void main(String[] args) {  

        SOFTest sof = new SOFTest();  

        sof.stackOverFlowMethod();  

    }  

}  

b、OutOfMemoryError（暂不介绍）

四、JVM内存分配

Java对象所占用的内存主要在堆上实现，因为堆是线程共享的，因此在堆上分配内存时需要进行加锁，这就导致了创建对象的开销比较大。当堆上空间不足时，会出发GC，如果GC后空间仍然不足，则会抛出OutOfMemory异常。

为了提升内存分配效率，在年轻代的Eden区HotSpot虚拟机使用了两种技术来加快内存分配 ，分别是bump-the-pointer和TLAB（Thread-Local Allocation Buffers）。由于Eden区是连续的，因此bump-the-pointer技术的核心就是跟踪最后创建的一个对象，在对象创建时，只需要检查最后一个对象后面是否有足够的内存即可，从而大大加快内存分配速度；而对于TLAB技术是对于多线程而言的， 它会为每个新创建的线程在新生代的Eden Space上分配一块独立的空间，这块空间称为TLAB（Thread Local Allocation Buffer），其大小由JVM根据运行情况计算而得。可通过-XX:TLABWasteTargetPercent来设置其可占用的Eden Space的百分比，默认是1%。在TLAB上分配内存不需要加锁，一般JVM会优先在TLAB上分配内存，如果对象过大或者TLAB空间已经用完，则仍然在堆上进行分配。因此，在编写程序时，多个小对象比大的对象分配起来效率更高。可在启动参数上增加-XX:+PrintTLAB来查看TLAB空间的使用情况。

对象如果在年轻代存活了足够长的时间而没有被清理掉（即在几次Minor GC后存活了下来），则会被复制到年老代，年老代的空间一般比年轻代大，能存放更多的对象，在年老代上发生的GC次数也比年轻代少。当年老代内存不足时，将执行Major GC，也叫 Full GC。

可以使用-XX:+UseAdaptiveSizePolicy开关来控制是否采用动态控制策略，如果动态控制，则动态调整Java堆中各个区域的大小以及进入老年代的年龄。如果对象比较大（比如长字符串或大数组），年轻代空间不足，则大对象会直接分配到老年代上（大对象可能触发提前GC，应少用，更应避免使用短命的大对象）。用 -XX:PretenureSizeThreshold来控制直接升入老年代的对象大小，大于这个值的对象会直接分配在老年代上。