JVM內(nèi)存的結(jié)構(gòu)是怎樣的

這篇文章主要介紹“JVM內(nèi)存的結(jié)構(gòu)是怎樣的”，在日常操作中，相信很多人在JVM內(nèi)存的結(jié)構(gòu)是怎樣的問題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡(jiǎn)單好用的操作方法，希望對(duì)大家解答”JVM內(nèi)存的結(jié)構(gòu)是怎樣的”的疑惑有所幫助！接下來，請(qǐng)跟著小編一起來學(xué)習(xí)吧！

前言

所有的Java開發(fā)人員可能會(huì)遇到這樣的困惑？我該為堆內(nèi)存設(shè)置多大空間呢？OutOfMemoryError的異常到底涉及到運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)的哪塊區(qū)域？該怎么解決呢？

其實(shí)如果你經(jīng)常解決服務(wù)器性能問題，那么這些問題就會(huì)變的非常常見，了解JVM內(nèi)存也是為了服務(wù)器出現(xiàn)性能問題的時(shí)候可以快速的了解那塊的內(nèi)存區(qū)域出現(xiàn)問題，以便于快速的解決生產(chǎn)故障。

先看一張圖，這張圖能很清晰的說明JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)布局。

JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)主要有三大塊：堆內(nèi)存、方法區(qū)和棧。堆內(nèi)存是JVM中最大的一塊由年輕代和老年代組成，而年輕代內(nèi)存又被分成三部分，Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間,默認(rèn)情況下年輕代按照8:1:1的比例來分配；

方法區(qū)存儲(chǔ)類信息、常量、靜態(tài)變量等數(shù)據(jù)，是線程共享的區(qū)域，為與Java堆區(qū)分，方法區(qū)還有一個(gè)別名Non-Heap(非堆)；棧又分為java虛擬機(jī)棧和本地方法棧主要用于方法的執(zhí)行。

在通過一張圖來了解如何通過參數(shù)來控制各區(qū)域的內(nèi)存大小

控制參數(shù)

• -Xms設(shè)置堆的最小空間大小。

• -Xmx設(shè)置堆的最大空間大小。

• -XX:NewSize設(shè)置新生代最小空間大小。

• -XX:MaxNewSize設(shè)置新生代最大空間大小。

• -XX:PermSize設(shè)置永久代最小空間大小。

• -XX:MaxPermSize設(shè)置永久代最大空間大小。

• -Xss設(shè)置每個(gè)線程的堆棧大小。

沒有直接設(shè)置老年代的參數(shù)，但是可以設(shè)置堆空間大小和新生代空間大小兩個(gè)參數(shù)來間接控制。

老年代空間大小=堆空間大小-年輕代大空間大小

從更高的一個(gè)維度再次來看JVM和系統(tǒng)調(diào)用之間的關(guān)系

方法區(qū)和對(duì)是所有線程共享的內(nèi)存區(qū)域；而java棧、本地方法棧和程序員計(jì)數(shù)器是運(yùn)行是線程私有的內(nèi)存區(qū)域。

下面我們?cè)敿?xì)介紹每個(gè)區(qū)域的作用

Java堆（Heap）

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說，Java堆（Java Heap）是Java虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊。Java堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建。此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對(duì)象實(shí)例，幾乎所有的對(duì)象實(shí)例都在這里分配內(nèi)存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此很多時(shí)候也被稱做“GC堆”。如果從內(nèi)存回收的角度看，由于現(xiàn)在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆中還可以細(xì)分為：新生代和老年代；再細(xì)致一點(diǎn)的有Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間等。

根據(jù)Java虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定，Java堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，只要邏輯上是連續(xù)的即可，就像我們的磁盤空間一樣。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，既可以實(shí)現(xiàn)成固定大小的，也可以是可擴(kuò)展的，不過當(dāng)前主流的虛擬機(jī)都是按照可擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)的（通過-Xmx和-Xms控制）。

如果在堆中沒有內(nèi)存完成實(shí)例分配，并且堆也無法再擴(kuò)展時(shí)，將會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。

方法區(qū)（Method Area）

方法區(qū)（Method Area）與Java堆一樣，是各個(gè)線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存儲(chǔ)已被虛擬機(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)。雖然Java虛擬機(jī)規(guī)范把方法區(qū)描述為堆的一個(gè)邏輯部分，但是它卻有一個(gè)別名叫做Non-Heap（非堆），目的應(yīng)該是與Java堆區(qū)分開來。

對(duì)于習(xí)慣在HotSpot虛擬機(jī)上開發(fā)和部署程序的開發(fā)者來說，很多人愿意把方法區(qū)稱為“永久代”（Permanent Generation），本質(zhì)上兩者并不等價(jià)，僅僅是因?yàn)镠otSpot虛擬機(jī)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)選擇把GC分代收集擴(kuò)展至方法區(qū)，或者說使用永久代來實(shí)現(xiàn)方法區(qū)而已。

Java虛擬機(jī)規(guī)范對(duì)這個(gè)區(qū)域的限制非常寬松，除了和Java堆一樣不需要連續(xù)的內(nèi)存和可以選擇固定大小或者可擴(kuò)展外，還可以選擇不實(shí)現(xiàn)垃圾收集。相對(duì)而言，垃圾收集行為在這個(gè)區(qū)域是比較少出現(xiàn)的，但并非數(shù)據(jù)進(jìn)入了方法區(qū)就如永久代的名字一樣“永久”存在了。這個(gè)區(qū)域的內(nèi)存回收目標(biāo)主要是針對(duì)常量池的回收和對(duì)類型的卸載，一般來說這個(gè)區(qū)域的回收“成績(jī)”比較難以令人滿意，尤其是類型的卸載，條件相當(dāng)苛刻，但是這部分區(qū)域的回收確實(shí)是有必要的。

根據(jù)Java虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定，當(dāng)方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時(shí)，將拋出OutOfMemoryError異常。

方法區(qū)有時(shí)被稱為持久代（PermGen）。

所有的對(duì)象在實(shí)例化后的整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，都被存放在堆內(nèi)存中。堆內(nèi)存又被劃分成不同的部分：伊甸區(qū)(Eden)，幸存者區(qū)域(Survivor Sapce)，老年代（Old Generation Space）。

方法的執(zhí)行都是伴隨著線程的。原始類型的本地變量以及引用都存放在線程棧中。而引用關(guān)聯(lián)的對(duì)象比如String，都存在在堆中。為了更好的理解上面這段話，我們可以看一個(gè)例子：

import java.text.SimpleDateFormat;import java.util.Date;import org.apache.log4j.Logger;
 public class HelloWorld {
    private static Logger LOGGER = Logger.getLogger(HelloWorld.class.getName());
    public void sayHello(String message) {
        SimpleDateFormat formatter = new SimpleDateFormat("dd.MM.YYYY");
        String today = formatter.format(new Date());
        LOGGER.info(today + ": " + message);
    }}

這段程序的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存放如下：

通過JConsole工具可以查看運(yùn)行中的Java程序（比如Eclipse）的一些信息：堆內(nèi)存的分配，線程的數(shù)量以及加載的類的個(gè)數(shù)；

程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）

程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）是一塊較小的內(nèi)存空間，它的作用可以看做是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。在虛擬機(jī)的概念模型里（僅是概念模型，各種虛擬機(jī)可能會(huì)通過一些更高效的方式去實(shí)現(xiàn)），字節(jié)碼解釋器工作時(shí)就是通過改變這個(gè)計(jì)數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個(gè)計(jì)數(shù)器來完成。

由于Java虛擬機(jī)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)的，在任何一個(gè)確定的時(shí)刻，一個(gè)處理器（對(duì)于多核處理器來說是一個(gè)內(nèi)核）只會(huì)執(zhí)行一條線程中的指令。因此，為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，各條線程之間的計(jì)數(shù)器互不影響，獨(dú)立存儲(chǔ)，我們稱這類內(nèi)存區(qū)域?yàn)椤熬€程私有”的內(nèi)存。

如果線程正在執(zhí)行的是一個(gè)Java方法，這個(gè)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Natvie方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器值則為空（Undefined）。

此內(nèi)存區(qū)域是唯一一個(gè)在Java虛擬機(jī)規(guī)范中沒有規(guī)定任何OutOfMemoryError情況的區(qū)域。

JVM棧（JVM Stacks）

與程序計(jì)數(shù)器一樣，Java虛擬機(jī)棧（Java Virtual Machine Stacks）也是線程私有的，它的生命周期與線程相同。虛擬機(jī)棧描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個(gè)方法被執(zhí)行的時(shí)候都會(huì)同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)棧幀（Stack Frame）用于存儲(chǔ)局部變量表、操作棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息。每一個(gè)方法被調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧中從入棧到出棧的過程。

局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數(shù)據(jù)類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對(duì)象引用（reference類型，它不等同于對(duì)象本身，根據(jù)不同的虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)，它可能是一個(gè)指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔槪部赡苤赶蛞粋€(gè)代表對(duì)象的句柄或者其他與此對(duì)象相關(guān)的位置）和returnAddress類型（指向了一條字節(jié)碼指令的地址）。

其中64位長(zhǎng)度的long和double類型的數(shù)據(jù)會(huì)占用2個(gè)局部變量空間（Slot），其余的數(shù)據(jù)類型只占用1個(gè)。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，在方法運(yùn)行期間不會(huì)改變局部變量表的大小。

在Java虛擬機(jī)規(guī)范中，對(duì)這個(gè)區(qū)域規(guī)定了兩種異常狀況：如果線程請(qǐng)求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常；如果虛擬機(jī)?？梢詣?dòng)態(tài)擴(kuò)展（當(dāng)前大部分的Java虛擬機(jī)都可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，只不過Java虛擬機(jī)規(guī)范中也允許固定長(zhǎng)度的虛擬機(jī)棧），當(dāng)擴(kuò)展時(shí)無法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存時(shí)會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。

本地方法棧（Native Method Stacks）

本地方法棧（Native Method Stacks）與虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，其區(qū)別不過是虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行Java方法（也就是字節(jié)碼）服務(wù)，而本地方法棧則是為虛擬機(jī)使用到的Native方法服務(wù)。虛擬機(jī)規(guī)范中對(duì)本地方法棧中的方法使用的語(yǔ)言、使用方式與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并沒有強(qiáng)制規(guī)定，因此具體的虛擬機(jī)可以自由實(shí)現(xiàn)它。甚至有的虛擬機(jī)（譬如Sun HotSpot虛擬機(jī)）直接就把本地方法棧和虛擬機(jī)棧合二為一。與虛擬機(jī)棧一樣，本地方法棧區(qū)域也會(huì)拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

哪兒的OutOfMemoryError

對(duì)內(nèi)存結(jié)構(gòu)清晰的認(rèn)識(shí)同樣可以幫助理解不同OutOfMemoryErrors：

Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

原因：對(duì)象不能被分配到堆內(nèi)存中

Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

原因：類或者方法不能被加載到持久代。它可能出現(xiàn)在一個(gè)程序加載很多類的時(shí)候，比如引用了很多第三方的庫(kù)；

Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit

原因：創(chuàng)建的數(shù)組大于堆內(nèi)存的空間

Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: requestbytes for. Out of swap space?原因：分配本地分配失敗。JNI、本地庫(kù)或者Java虛擬機(jī)都會(huì)從本地堆中分配內(nèi)存空間。Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError:（Native method）原因：同樣是本地方法內(nèi)存分配失敗，只不過是JNI或者本地方法或者Java虛擬機(jī)發(fā)現(xiàn)JDK8-廢棄永久代（PermGen）迎來元空間（Metaspace）1.背景2.為什么廢棄永久代（PermGen）3.深入理解元空間（Metaspace）4.總結(jié)========正文分割線=====一、背景1.1 永久代（PermGen）在哪里？根據(jù)，hotspot jvm結(jié)構(gòu)如下(虛擬機(jī)棧和本地方法棧合一起了)：上圖引自網(wǎng)絡(luò)，但有個(gè)問題：方法區(qū)和heap堆都是線程共享的內(nèi)存區(qū)域。關(guān)于方法區(qū)和永久代：在HotSpot JVM中，這次討論的永久代，就是上圖的方法區(qū)（JVM規(guī)范中稱為方法區(qū)）。《Java虛擬機(jī)規(guī)范》只是規(guī)定了有方法區(qū)這么個(gè)概念和它的作用，并沒有規(guī)定如何去實(shí)現(xiàn)它。在其他JVM上不存在永久代。1.2 JDK8永久代的廢棄JDK8 永久代變化如下圖：1.新生代：Eden+From Survivor+To Survivor2.老年代：OldGen3.永久代（方法區(qū)的實(shí)現(xiàn)） : PermGen——->替換為Metaspace(本地內(nèi)存中)二、為什么廢棄永久代（PermGen）2.1 官方說明參照J(rèn)EP122：
http://openjdk.java.net/jeps/122，原文截取：MotivationThis is part of the JRockit and Hotspot convergence effort. JRockit customers do not need to configure the permanent generation (since JRockit does not have a permanent generation) and are accustomed to not configuring the permanent generation.即：移除永久代是為融合HotSpot JVM與 JRockit VM而做出的努力，因?yàn)镴Rockit沒有永久代，不需要配置永久代。2.2 現(xiàn)實(shí)使用中易出問題由于永久代內(nèi)存經(jīng)常不夠用或發(fā)生內(nèi)存泄露，爆出異常java.lang.OutOfMemoryError: PermGen其實(shí)在JDK7時(shí)就已經(jīng)逐步把永久代的內(nèi)容移動(dòng)到其他區(qū)域了，比如移動(dòng)到native區(qū)，移動(dòng)到堆區(qū)等，而JDK8則是則是廢除了永久代，改用元數(shù)據(jù)。三、深入理解元空間（Metaspace）3.1元空間的內(nèi)存大小元空間是方法區(qū)的在HotSpot jvm 中的實(shí)現(xiàn)，方法區(qū)主要用于存儲(chǔ)類的信息、常量池、方法數(shù)據(jù)、方法代碼等。方法區(qū)邏輯上屬于堆的一部分，但是為了與堆進(jìn)行區(qū)分，通常又叫“非堆”。元空間的本質(zhì)和永久代類似，都是對(duì)JVM規(guī)范中方法區(qū)的實(shí)現(xiàn)。不過元空間與永久代之間最大的區(qū)別在于：元空間并不在虛擬機(jī)中，而是使用本地內(nèi)存。，理論上取決于32位/64位系統(tǒng)可虛擬的內(nèi)存大小?？梢娨膊皇菬o限制的，需要配置參數(shù)。3.2常用配置參數(shù)1.MetaspaceSize初始化的Metaspace大小，控制元空間發(fā)生GC的閾值。GC后，動(dòng)態(tài)增加或降低MetaspaceSize。在默認(rèn)情況下，這個(gè)值大小根據(jù)不同的平臺(tái)在12M到20M浮動(dòng)。使用
Java -XX:+PrintFlagsInitial命令查看本機(jī)的初始化參數(shù)2.MaxMetaspaceSize限制Metaspace增長(zhǎng)的上限，防止因?yàn)槟承┣闆r導(dǎo)致Metaspace無限的使用本地內(nèi)存，影響到其他程序。在本機(jī)上該參數(shù)的默認(rèn)值為4294967295B（大約4096MB）。3.MinMetaspaceFreeRatio當(dāng)進(jìn)行過Metaspace GC之后，會(huì)計(jì)算當(dāng)前Metaspace的空閑空間比，如果空閑比小于這個(gè)參數(shù)（即實(shí)際非空閑占比過大，內(nèi)存不夠用），那么虛擬機(jī)將增長(zhǎng)Metaspace的大小。默認(rèn)值為40，也就是40%。設(shè)置該參數(shù)可以控制Metaspace的增長(zhǎng)的速度，太小的值會(huì)導(dǎo)致Metaspace增長(zhǎng)的緩慢，Metaspace的使用逐漸趨于飽和，可能會(huì)影響之后類的加載。而太大的值會(huì)導(dǎo)致Metaspace增長(zhǎng)的過快，浪費(fèi)內(nèi)存。4.MaxMetasaceFreeRatio當(dāng)進(jìn)行過Metaspace GC之后， 會(huì)計(jì)算當(dāng)前Metaspace的空閑空間比，如果空閑比大于這個(gè)參數(shù)，那么虛擬機(jī)會(huì)釋放Metaspace的部分空間。默認(rèn)值為70，也就是70%。5.MaxMetaspaceExpansionMetaspace增長(zhǎng)時(shí)的最大幅度。在本機(jī)上該參數(shù)的默認(rèn)值為5452592B（大約為5MB）。6.MinMetaspaceExpansionMetaspace增長(zhǎng)時(shí)的最小幅度。在本機(jī)上該參數(shù)的默認(rèn)值為340784B（大約330KB為）。3.3測(cè)試并追蹤元空間大小3.3.1.測(cè)試字符串常量 1 public class StringOomMock {
 2     static String  base = "string";
 3     
 4     public static void main(String[] args) {
 5         Listlist = new ArrayList();
 6         for (int i=0;i< Integer.MAX_VALUE;i++){
 7             String str = base + base;
 8             base = str;
 9             list.add(str.intern());
10         }
11     }
12 }在eclipse中選中類—》run configuration—>java application—》new 參數(shù)如下：由于設(shè)定了最大內(nèi)存20M，很快就溢出，如下圖：可見在jdk8中：1.字符串常量由永久代轉(zhuǎn)移到堆中。2.持久代已不存在，PermSize MaxPermSize參數(shù)已移除。（看圖中最后兩行）3.3.2.測(cè)試元空間溢出根據(jù)定義，我們以加載類來測(cè)試元空間溢出，代碼如下： 1 package jdk8;
 2 
 3 import java.io.File;
 4 import java.lang.management.ClassLoadingMXBean;
 5 import java.lang.management.ManagementFactory;
 6 import java.net.URL;
 7 import java.net.URLClassLoader;
 8 import java.util.ArrayList;
 9 import java.util.List;
10 
11 /**
12  * 
13  * @ClassName:OOMTest
14  * @Description:模擬類加載溢出（元空間oom）
15  * @author diandian.zhang
16  * @date 2017年4月27日上午9:45:40
17  */
18 public class OOMTest {  
19     public static void main(String[] args) {  
20         try {  
21             //準(zhǔn)備url  
22             URL url = new File("D:/58workplace/11study/src/main/java/jdk8").toURI().toURL();  
23             URL[] urls = {url};  
24             //獲取有關(guān)類型加載的JMX接口  
25             ClassLoadingMXBean loadingBean = ManagementFactory.getClassLoadingMXBean();  
26             //用于緩存類加載器  
27             ListclassLoaders = new ArrayList();  
28             while (true) {  
29                 //加載類型并緩存類加載器實(shí)例  
30                 ClassLoader classLoader = new URLClassLoader(urls);  
31                 classLoaders.add(classLoader);  
32                 classLoader.loadClass("ClassA");  
33                 //顯示數(shù)量信息（共加載過的類型數(shù)目，當(dāng)前還有效的類型數(shù)目，已經(jīng)被卸載的類型數(shù)目）  
34                 System.out.println("total: " + loadingBean.getTotalLoadedClassCount());  
35                 System.out.println("active: " + loadingBean.getLoadedClassCount());  
36                 System.out.println("unloaded: " + loadingBean.getUnloadedClassCount());  
37             }  
38         } catch (Exception e) {  
39             e.printStackTrace();  
40         }  
41     }  
42 }為了快速溢出，設(shè)置參數(shù)：-XX:MetaspaceSize=8m -XX:MaxMetaspaceSize=80m，運(yùn)行結(jié)果如下：上圖證實(shí)了，我們的JDK8中類加載（方法區(qū)的功能）已經(jīng)不在永久代PerGem中了，而是Metaspace中?？梢耘浜螶VisualVM來看，更直觀一些。四、總結(jié)本文講解了元空間（Metaspace）的由來和本質(zhì)，常用配置，以及監(jiān)控測(cè)試。元空間的大小是動(dòng)態(tài)變更的，但不是無限大的，最好也時(shí)常關(guān)注一下大小，以免影響服務(wù)器內(nèi)存。參考文章https://segmentfault.com/a/1190000009707894https://www.cnblogs.com/hysum/p/7100874.htmlhttp://c.biancheng.net/view/939.htmlhttps://www.runoob.com/https://blog.csdn.net/android_hl/article/details/53228348

到此，關(guān)于“JVM內(nèi)存的結(jié)構(gòu)是怎樣的”的學(xué)習(xí)就結(jié)束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實(shí)踐的搭配能更好的幫助大家學(xué)習(xí)，快去試試吧！若想繼續(xù)學(xué)習(xí)更多相關(guān)知識(shí)，請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編會(huì)繼續(xù)努力為大家?guī)砀鄬?shí)用的文章！