JVM內存區域解析

引言

Java虛擬機在執行Java程序的過程中會把它所管理的內存划分為若干個不同的數據區域。這些區域都有各自的用途，以及創建和銷毀的時間。有的區域隨着虛擬機進程的啟動而存在，有些區域則是依賴用戶線程的啟動和結束而建立和銷毀。

JVM內存模型可以分為兩個部分，如下圖所示，堆和方法區是所有線程共有的，而虛擬機棧，本地方法棧和程序計數器則是線程私有的。下面我們就來分析一下這些不同區域的作用。

堆內存

堆內存是所有線程共有的，可以分為兩個部分：年輕代和老年代。下圖中的Perm代表的是永久代，但是注意永久代並不屬於堆內存中的一部分，同時jdk1.8之后永久代也將被移除。

jvm-heap-memory

GC(垃圾回收器)對年輕代中的對象進行回收被稱為Minor GC，用通俗一點的話說年輕代就是用來存放年輕的對象，年輕對象是什么意思呢？年輕對象可以簡單的理解為沒有經歷過多次垃圾回收的對象，如果一個對象經歷過了一定次數的Minor GC，JVM一般就會將這個對象放入到年老代，而JVM對年老代的對象的回收則稱為Major GC。

如上圖所示，年輕代中還可以細分為三個部分，我們需要重點關注這幾點：

1. 大部分對象剛創建的時候，JVM會將其分布到Eden區域。
2. 當Eden區域中的對象達到一定的數目的時候，就會進行Minor GC，經歷這次垃圾回收后所有存活的對象都會進入兩個Suvivor Place中的一個。
3. 同一時刻兩個Suvivor Place，即s0和s1中總有一個總是空的。
4. 年輕代中的對象經歷過了多次的垃圾回收就會轉移到年老代中。
5. 當申請不到空間時會拋出 OutOfMemoryError。下面我們簡單的模擬一個堆內存溢出的情況：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/* java -Xms20m -Xmx20m HeapOOM */
public class HeapOOM {
    static class OOMObject {
    }
    public static void main(String[] args) {
        List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();
        while (true) {
            list.add(new OOMObject());
        }
    }
}

 

下面是執行結果：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3210)
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3181)
    at java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:261)
    at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:235)
    at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:227)
    at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:458)
    at HeapOOM.main(HeapOOM.java:13)

 

堆內存是我們平時在生產環境中進行性能調優中的一個非常重要的部分。

方法區

方法區與Java堆一樣，是各個線程共享的區域，它用於存儲已被虛擬機加載的類信息，常量，靜態變量，即時編譯(JIT)后的代碼等數據。

雖然Java虛擬機規范把方法區描述為堆的一個邏輯部分，但是它卻有一個別名叫做Non-Heap（非堆），目的應該是與Java堆區分開來。

對於JDK1.8之前的HotSpot虛擬機而言，很多人經常將方法區稱為我們上圖中所描述的永久代，實際上兩者並不等價，僅僅是因為HotSpot虛擬機的設計團隊選擇把GC分代收集擴展至方法區，或者說使用永久代來實現方法區而已。同時對於其他虛擬機比如IBM J9中是不存在永久代的概念的。

其實，移除永久代的工作從JDK1.7就開始了。JDK1.7中，存儲在永久代的部分數據就已經轉移到了Java Heap或者是 Native Heap。但永久代仍存在於JDK1.7中，並沒完全移除，比如符號引用(Symbols)轉移到了native heap；字面量(interned strings)轉移到了java heap；類的靜態變量(class statics)轉移到了java heap，而在JDK1.8之后永久代的該概念也已經不再存在取而代之的是元空間metaspace。

Java虛擬機規范對這個區域的限制非常寬松，除了和Java堆一樣不需要連續的內存和可以選擇固定大小或者可擴展外，還可以選擇不實現垃圾收集。相對而言，垃圾收集行為在這個區域是比較少出現的。這個區域的內存回收目標主要是針對常量池的回收和對類型的卸載，一般來說這個區域的回收“成績”比較難以令人滿意，尤其是類型的卸載，條件相當苛刻，但是這部分區域的回收確實是有必要的。根據Java虛擬機規范的規定，當方法區無法滿足內存分配需求時，將拋出OutOfMemoryError異常。

運行時常量池

運行時常量池（RuntimeConstantPool）是方法區的一部分。注意我們這里所說的運行時的常量池並僅僅是指Class文件中的常量池，因為JVM可能會進行即時編譯進行優化，在運行時將部分常量載入到常量池中。

Class文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，還有一項信息是常量池（ConstantPoolTable），用於存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分內容將在類加載后存放到方法區的運行時常量池中。
Java虛擬機對Class文件的每一部分（自然也包括常量池）的格式都有嚴格的規定，每一個字節用於存儲哪種數據都必須符合規范上的要求，這樣才會被虛擬機認可、裝載和執行。但對於運行時常量池，Java虛擬機規范沒有做任何細節的要求。不過，一般來說，除了保存Class文件中描述的符號引用外，還會把翻譯出來的直接引用也存儲在運行時常量池中。
運行時常量池相對於Class文件常量池的另外一個重要特征是具備動態性，Java語言並不要求常量一定只能在編譯期產生，也就是並非預置入Class文件中常量池的內容才能進入方法區運行時常量池，運行期間也可能將新的常量放入池中，這種特性被開發人員利用得比較多的便是String類的intern()方法。
既然運行時常量池是方法區的一部分，自然會受到方法區內存的限制，當常量池無法再申請到內存時會拋出OutOfMemoryError異常。

程序計數器

程序計數器（ProgramCounterRegister）的作用可以看做是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。
由於Java虛擬機的多線程是通過線程輪流切換並分配處理器執行時間的方式來實現的，在任何一個確定的時刻，一個處理器（對於多核處理器來說是一個內核）只會執行一條線程中的指令。因此，為了線程切換后能恢復到正確的執行位置，每條線程都需要有一個獨立的程序計數器，各條線程之間的計數器互不影響，獨立存儲，我們稱這類內存區域為“線程私有”的內存。
如果線程正在執行的是一個Java方法，這個計數器記錄的是正在執行的虛擬機字節碼指令的地址；如果正在執行的是Natvie方法，這個計數器值則為空（Undefined）。此內存區域是唯一一個在Java虛擬機規范中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域。 

Java虛擬機棧

與程序計數器一樣，Java虛擬機棧（JavaVirtualMachineStacks）也是線程私有的，用通俗的話講它（或者說是虛擬機棧中的局部變量表部分）就是我們常常聽說到堆棧中的那個“棧內存”。

局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數據類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對象引用（reference類型，它不等同於對象本身，根據不同的虛擬機實現，它可能是一個指向對象起始地址的引用指針，也可能指向一個代表對象的句柄或者其他與此對象相關的位置）和returnAddress類型（指向了一條字節碼指令的地址）。其中64位長度的long和double類型的數據會占用2個局部變量空間（Slot），其余的數據類型只占用1個。局部變量表所需的內存空間在編譯期間完成分配，當進入一個方法時，這個方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的，在方法運行期間不會改變局部變量表的大小。

虛擬機棧描述的是Java方法執行的內存模型：每個方法在執行的同時都會創建一個棧幀(Stack Frame)用於存儲局部變量表（局部變量表需要的內存在編譯期間就確定了所以在方法運行期間不會改變大小），操作數棧，動態鏈接，方法出口等信息。每一個方法從調用至出棧的過程，就對應着棧幀在虛擬機中從入棧到出棧的過程。

在Java虛擬機規范中，對這個區域規定了兩種異常狀況：如果線程請求的棧深度大於虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常；如果虛擬機棧可以動態擴展（當前大部分的Java虛擬機都可動態擴展，只不過Java虛擬機規范中也允許固定長度的虛擬機棧），當擴展時無法申請到足夠的內存時會拋出OutOfMemoryError異常。

本地方法棧

本地方法棧（NativeMethodStacks）與虛擬機棧所發揮的作用是非常相似的，其區別不過是虛擬機棧為虛擬機執行Java方法（也就是字節碼）服務，而本地方法棧則是為虛擬機使用到的Native方法服務。與虛擬機棧一樣，本地方法棧區域也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

直接內存

直接內存（DirectMemory）並不是虛擬機運行時數據區的一部分，但是這部分內存也被頻繁地使用，而且也可能導致OutOfMemoryError異常出現。
在JDK1.4中新加入了NIO（NewInput/Output）類，引入了一種基於通道（Channel）與緩沖區（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函數庫直接分配堆外內存，然后通過一個存儲在Java堆里面的DirectByteBuffer對象作為這塊內存的引用進行操作。這樣能在一些場景中顯著提高性能，因為避免了在Java堆和Native堆中來回復制數據。
顯然，本機直接內存的分配不會受到Java堆大小的限制，但是，既然是內存，則肯定還是會受到本機總內存（包括RAM及SWAP區或者分頁文件）的大小及處理器尋址空間的限制。服務器管理員配置虛擬機參數時，經常會忽略掉直接內存，使得各個內存區域的總和大於物理內存限制（包括物理上的和操作系統級的限制），從而導致動態擴展時出現OutOfMemoryError異常。

參考資料

JVM內存模型解析：https://www.ziwenxie.site/2017/06/01/java-jvm-memory-model/

周志明　<深入理解Java虛擬機：JVM高級特性與最佳實踐>