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Java技术学习之对虚拟机(JVM)内存模型的分析

时间:2018-05-29 10:39:40     来源:千锋教育 作者:千锋老师

  JVM会将Java进程所管理的内存划分为若干不同的数据区域,这些区域有各自的用途、创建/销毁时间。

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  JVM内存数据:栈管运行,堆管存储

  第一章 线程私有区域

  线程私有数据区域生命周期与线程相同, 依赖用户线程的启动/结束而创建/销毁(在Hotspot VM内, 每个线程都与操作系统的本地线程直接映射, 因此这部分内存区域的存/否跟随本地线程的生/死),下面来详细的看看java技术

  1.1 Native Method Stack本地方法栈

  是在Native Method Stack中登记native方法,在Execution Engine执行时加载native libraies。

  本地方法栈(Native Method Stacks)与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定,因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机(譬如Sun HotSpot虚拟机)直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样,本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

  1.2 PC Register程序计数器

  每个线程都有一个程序计算器,就是一个指针,指向方法区中的方法字节码(下一个将要执行的指令代码),由执行引擎读取下一条指令,是一个非常小的内存空间,几乎可以忽略不记。

  作用是当前线程所执行字节码的行号指示器(类似于传统CPU模型中的PC), PC在每次指令执行后自增, 维护下一个将要执行指令的地址. 在JVM模型中, 字节码解释器就是通过改变PC值来选取下一条需要执行的字节码指令,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖PC完成(仅限于Java方法, Native方法该计数器值为undefined).

  不同于OS以进程为单位调度, JVM中的并发是通过线程切换并分配时间片执行来实现的. 在任何一个时刻, 一个处理器内核只会执行一条线程中的指令. 因此, 为了线程切换后能恢复到正确的执行位置, 每条线程都需要有一个独立的程序计数器, 这类内存被称为“线程私有”内存.

  1.3 Java Stack(虚拟机栈)

  栈也叫栈内存,主管Java程序的运行,是在线程创建时创建,它的生命期是跟随线程的生命期,线程结束栈内存也就释放,对于栈来说不存在垃圾回收问题,只要线程一结束该栈就Over,生命周期和线程一致,是线程私有的。

  基本类型的变量和对象的引用变量都是在函数的栈内存中分配。

  栈帧中主要保存3类数据:

  本地变量(Local Variables):输入参数和输出参数以及方法内的变量;

  栈操作(Operand Stack):记录出栈、入栈的操作;

  栈帧数据(Frame Data):包括类文件、方法等等。

  栈运行原理

  栈中的数据都是以栈帧(Stack Frame)的格式存在,栈帧是一个内存区块,是一个数据集,是一个有关方法和运行期数据的数据集,当一个方法A被调用时就产生了一个栈帧F1,并被压入到栈中,A方法又调用了B方法,于是产生栈帧F2也被压入栈,B方法又调用了C方法,于是产生栈帧F3也被压入栈…… 依次执行完毕后,先弹出后进......F3栈帧,再弹出F2栈帧,再弹出F1栈帧。

  遵循“先进后出”/“后进先出”原则。

  第二章 线程共享区域

  随虚拟机的启动/关闭而创建/销毁

  2.1 Method Area方法区

  常说的永久代(Permanent Generation), 用于存储被JVM加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据. HotSpot VM把GC分代收集扩展至方法区, 即使用Java堆的永久代来实现方法区, 这样HotSpot的垃圾收集器就可以像管理Java堆一样管理这部分内存, 而不必为方法区开发专门的内存管理器(永久带的内存回收的主要目标是针对常量池的回收和类型的卸载, 因此收益一般很小)。

  1.7和1.8的异同

  不过在1.7的HotSpot已经将原本放在永久代的字符串常量池移出

  而在1.8中, 永久区已经被彻底移除, 取而代之的是元数据区Metaspace(这一点在查看GC日志和使用jstat -gcutil查看GC情况时可以观察到),与永久代不同, 如果不指定Metaspace大小, 如果方法区持续增长, VM会默认耗尽所有系统内存.

  运行时常量池

  方法区的一部分. Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有一项常量池(Constant Pool Table)用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用, 这部分内容会存放到方法区的运行时常量池中(如前面从test方法中读到的signature信息). 但Java语言并不要求常量一定只能在编译期产生, 即并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池, 运行期间也可能将新的常量放入池中, 如String的intern()方法.

  2.2 Heap(Java堆)

  堆这块区域是JVM中最大的,应用的对象和数据都是存在这个区域,这块区域也是线程共享的,也是 gc 主要的回收区,一个 JVM 实例只存在一个堆类存,堆内存的大小是可以调节的。类加载器读取了类文件后,需要把类、方法、常变量放到堆内存中,以方便执行器执行,堆内存分为三部分:

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  新生区

  新生区是类的诞生、成长、消亡的区域,一个类在这里产生,应用,最后被垃圾回收器收集,结束生命。新生区又分为两部分:伊甸区(Eden space)和幸存者区(Survivor pace),所有的类都是在伊甸区被new出来的。幸存区有两个:0区(Survivor 0 space)和1区(Survivor 1 space)。当伊甸园的空间用完时,程序又需要创建对象,JVM的垃圾回收器将对伊甸园进行垃圾回收(Minor GC),将伊甸园中的剩余对象移动到幸存0区。若幸存0区也满了,再对该区进行垃圾回收,然后移动到1区。那如果1去也满了呢?再移动到养老区。若养老区也满了,那么这个时候将产生Major GC(FullGCC),进行养老区的内存清理。若养老区执行Full GC 之后发现依然无法进行对象的保存,就会产生OOM异常“OutOfMemoryError”。

  如果出现java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space异常,说明Java虚拟机的堆内存不够。原因有二:

  a.Java虚拟机的堆内存设置不够,可以通过参数-Xms、-Xmx来调整。

  b.代码中创建了大量大对象,并且长时间不能被垃圾收集器收集(存在被引用)。

  养老区

  养老区用于保存从新生区筛选出来的 JAVA 对象,一般池对象都在这个区域活跃。

  永久区

  永久存储区是一个常驻内存区域,用于存放JDK自身所携带的 Class,Interface 的元数据,也就是说它存储的是运行环境必须的类信息,被装载进此区域的数据是不会被垃圾回收器回收掉的,关闭 JVM 才会释放此区域所占用的内存。

  如果出现java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space,说明是Java虚拟机对永久代Perm内存设置不够。原因有二:

  a. 程序启动需要加载大量的第三方jar包。例如:在一个Tomcat下部署了太多的应用。

  b. 大量动态反射生成的类不断被加载,最终导致Perm区被占满。

  说明:

  Jdk1.6及之前:常量池分配在永久代 。

  Jdk1.7:有,但已经逐步“去永久代” 。

  Jdk1.8及之后:无(java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space,这种错误将不会出现在JDK1.8中)。

  说明:方法区和堆内存的异议:

  实际而言,方法区和堆一样,是各个线程共享的内存区域,它用于存储虚拟机加载的:类信息+普通常量+静态常量+编译器编译后的代码等等,虽然JVM规范将方法区描述为堆的一个逻辑部分,但它却还有一个别名叫做Non-Heap(非堆),目的就是要和堆分开。

  对于HotSpot虚拟机,很多开发者习惯将方法区称之为“永久代(Parmanent Gen)”,但严格本质上说两者不同,或者说使用永久代来实现方法区而已,永久代是方法区的一个实现,jdk1.7的版本中,已经将原本放在永久代的字符串常量池移走。

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