Linux與JVM的內存關系分析
引言
在一些物理內存為8g的服務器上，主要運行一個Java服務，系統內存分配如下：Java服務的JVM堆大小設置為6g，一個監控進程占用大約600m，Linux自身使用大約800m。從表面上，物理內存應該是足夠使用的；但實際運行的情況是，會發生大量使用SWAP(說明物理內存不夠使用了)，如下圖所示。同時，由於SWAP和GC同時發生會致使JVM嚴重卡頓，所以我們要追問：內存究竟去哪兒了？
要分析這個問題，理解JVM和操作系統之間的內存關系非常重要。接下來主要就Linux與JVM之間的內存關系進行一些分析。
一、Linux與進程內存模型
JVM以一個進程（Process）的身份運行在Linux系統上，了解Linux與進程的內存關系，是理解JVM與Linux內存的關系的基礎。
下圖給出了硬件、系統、進程三個層面的內存之間的概要關系。
從硬件上看，Linux系統的內存空間由兩個部分構成：物理內存和SWAP（位於磁盤）。物理內存是Linux活動時使用的主要內存區域；當物理內存不夠使用時，Linux會把一部分暫時不用的內存數據放到磁盤上的SWAP中去，以便騰出更多的可用內存空間；而當需要使用位於SWAP的數據時，必須先將其換回到內存中。
從Linux系統上看，除了引導系統的BIN區，整個內存空間主要被分成兩個部分：內核內存（Kernel space）、用戶內存（User space）。
內核內存是Linux自身使用的內存空間，主要提供給程序調度、內存分配、連接硬件資源等程序邏輯使用。用戶內存是提供給各個進程主要空間，Linux給各個進程提供相同的虛擬內存空間；這使得進程之間相互獨立，互不干擾。實現的方法是采用虛擬內存技術：給每一個進程一定虛擬內存空間，而只有當虛擬內存實際被使用時，才分配物理內存。如下圖所示，對於32的Linux系統來說，一般將0～3G的虛擬內存空間分配做為用戶空間，將3～4G的虛擬內存空間分配為內核空間；64位系統的划分情況是類似的。
從進程的角度來看，進程能直接訪問的用戶內存（虛擬內存空間）被划分為5個部分：代碼區、數據區、堆區、棧區、未使用區。代碼區中存放應用程序的機器代碼，運行過程中代碼不能被修改，具有只讀和固定大小的特點。數據區中存放了應用程序中的全局數據，靜態數據和一些常量字符串等，其大小也是固定的。堆是運行時程序動態申請的空間，屬於程序運行時直接申請、釋放的內存資源。棧區用來存放函數的傳入參數、臨時變量，以及返回地址等數據。未使用區是分配新內存空間的預備區域。
二、進程與JVM內存模型
JVM本質就是一個進程，因此其內存模型也有進程的一般特點。但是，JVM又不是一個普通的進程，其在內存模型上有許多嶄新的特點，主要原因有兩個：1.JVM將許多本來屬於操作系統管理范疇的東西，移植到了JVM內部，目的在於減少系統調用的次數；2. Java NIO，目的在於減少用於讀寫IO的系統調用的開銷。 JVM進程與普通進程內存模型比較如下圖:
需要說明的是，這個模型的並不是JVM內存使用的精確模型，更側重於從操作系統的角度而省略了一些JVM的內部細節（盡管也很重要）。下面從用戶內存和內核內存兩個方面講解JVM進程的內存特點。
1.用戶內存
上圖特別強調了JVM進程模型的代碼區和數據區指的是JVM自身的，而非Java程序的。普通進程棧區，在JVM一般僅僅用做線程棧。
2.內核內存
應用程序通常不直接和內核內存打交道，內核內存由操作系統進行管理和使用；不過隨着Linux對性能的關注及改進，一些新的特性使得應用程序可以使用內核內存，或者是映射到內核空間。Java NIO正是在這種背景下誕生的，其充分利用了Linux系統的新特性，提升了Java程序的IO性能。
Linux和Java NIO在內核內存上開辟空間給程序使用，主要是減少不要的復制，以減少IO操作系統調用的開銷。例如，將磁盤文件的數據發送網卡，使用普通方法和NIO時，數據流動比較下圖所示：
將數據在內核內存和用戶內存之間拷貝是比較消耗資源和時間的事情，而從上圖我們可以看到，通過NIO的方式減少了2次內核內存和用戶內存之間的數據拷貝。這是Java NIO高性能的重要機制之一（另一個是異步非阻塞）。
從上面可以看出，內核內存對於Java程序性能也非常重要，因此，在划分系統內存使用時候，一定要給內核留出一定可用空間。