Java Jvm内存区域定义介绍

本文主要用于个人笔记记录，主要针对jdk1.8

一、Java内存区域（运行时数区）

图片这X掉的是方法区，方法区是JVM的规范，大家可能会搞混永久代和方法区，其实永久代就是Jdk 1.8以前 HotSpot对方法区的实现。

（图片取自java guide）

直接内存是非运行时数据区的一部分。

Java 内存可以粗糙的区分为堆内存（Heap）和栈内存 (Stack)。栈内存大多指的是虚拟机栈中局部变量表部分。

二、线程私有内存区域

先看看线程内的内存区域：

1.程序计数器：用于记录下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等功能都需要依赖这个计数器来完成。为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每个线程的程序计数器都是独立的，这部分线程独立的内存区域称为线程私有。

注意：程序计数器是唯一一个不会出现 OutOfMemoryError 的内存区域，它的生命周期随着线程的创建而创建，随着线程的结束而死亡

2.Java 虚拟机栈：生命周期和线程相同，描述的是 Java 方法执行的内存模型，每次方法调用的数据都是通过栈传递的。

虚拟栈存着一个个栈帧，栈帧包括：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息。

局部变量表，从名字显而易见，是存放执行方法的时候变量的信息，所以主要存放了编译期可知的各种数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference 类型，它不同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）。

方法/函数的调用，就是创建相应函数的栈帧压入Java栈，调用结束后，就会有栈帧弹出。

虚拟机栈主要是存放线程执行方法的一个个栈帧，栈帧占用栈多少空间是根据具体方法的参数等信息决定的，虚拟机栈有可能出现StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。

每个线程的栈大小，通过-Xss设置，公司内默认为256k，相同物理内存下，-Xss小，则能生成更多的线程，但操作系统对一个进程的线程是有限制的。-Xss过小，会出现栈溢出，特别是有递归，大的循环的时候；-Xss过大，影响创建栈的数量，如果是多线程应用，会出现内存溢出。

StackOverFlowError：若 Java 虚拟机栈的内存大小不允许动态扩展（Hotspot不允许），那么当线程请求栈的深度超过当前 Java 虚拟机栈的最大深度的时候，就抛出 StackOverFlowError 错误。
OutOfMemoryError： Java 虚拟机栈的内存大小可以动态扩展（以前的Classic虚拟机允许），如果虚拟机在动态扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常。

3.本地方法栈

和虚拟机栈所发挥的作用非常相似，区别是：虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native （一些c、c++代码编写的代码调用操作系统指令）方法服务。在 HotSpot 虚拟机中本地方法栈和 Java 虚拟机栈合二为一。

异常抛出一样会StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError，栈帧也同样是用于存放本地方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、出口信息。

三、线程共享区域

1.堆

用于存放对象实例，“几乎”所有的对象实例以及数组都在这里分配内存。

但是，随着 JIT 编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化，JDK1.7起默认开启逃逸分析，如果某些方法中的对象引用没有被返回或者未被外面使用（也就是未逃逸出去），那么对象可以直接在栈上分配内存，就不会再分配到堆里。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称作GC 堆（Garbage Collected Heap）。

从垃圾回收的角度，由于现在收集器基本都采用分代垃圾收集算法，所以 Java 堆还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点有：Eden、Survivor、Old 等空间。进一步划分的目的是更好地回收内存，或者更快地分配内存。

JDK 8后PermGen（永久代）已被 Metaspace(元空间) 取代，元空间使用的是直接内存。以前永久代用的是堆内存空间。

大部分情况，对象都会首先在 Eden 区域分配，在一次新生代垃圾回收后，如果对象还存活，则会进入 S0 或者 S1，并且对象的年龄还会加 1(Eden 区->Survivor 区后对象的初始年龄变为 1)，当它的年龄增加到一定程度（默认为 15 岁）或者累积的某个年龄对象数量大小超过了 survivor 区的一半时，取这个年龄和 MaxTenuringThreshold 中更小的一个值，作为新的晋升年龄阈值；这些对象就会被晋升到老年代中。对象晋升到老年代的年龄阈值，通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。

对象流转

对象年龄:0 取对象年龄超过一半的数和MaxTenuringThreshold最小值作为迭代到老年代的阈值并修改对象年龄:MaxTenuringThreshold

Eden -> S0 或者 S1（看现在标记整理清除使用的是哪个新生代） -> 老年代（Tenured）

堆最容易出现OutOfMemoryError错误。但有好几种：

1.java.lang.OutOfMemoryError: GC Overhead Limit Exceeded:当 JVM 花太多时间执行垃圾回收并且只能回收很少的堆空间时，就会发生此错误。

2.java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space :假如在创建新的对象时, 堆内存中的空间不足以存放新创建的对象, 就会引发此错误。(和配置的最大堆内存有关，且受制于物理内存大小。最大堆内存可通过-Xmx参数配置。默认值看VM配置，-client取小于物理内存的 1/4 或 1GB，有的版本不受1GB影响；可以用这个命令查看java -XX:+PrintFlagsFinal -version | grep -iE 'HeapSize|PermSize|ThreadStackSize', -XX:+PrintConmandLineFlags也可以但要看具体jvm。

2.方法区（元空间）

用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。注意：永久代就是 HotSpot 虚拟机对虚拟机规范中方法区的一种实现方式。而jdk1.8后是元空间。

jdk1.8后用这两个命令设置元空间大小，与永久代很大的不同就是，如果不指定大小的话，随着更多类的创建，虚拟机会耗尽所有可用的系统内存。

-XX:MetaspaceSize=N //设置 Metaspace 的初始（和最小大小）

-XX:MaxMetaspaceSize=N //设置 Metaspace 的最大大小

为什么要将永久代 (PermGen) 替换为元空间 (MetaSpace) 呢?

《深入理解Java虚拟机》第三版2.2.5提到

1.整个永久代有一个 JVM 本身设置的固定大小上限，无法进行调整，而元空间使用的是直接内存，受本机可用内存的限制，虽然元空间仍旧可能溢出，但是比原来出现的几率会更小。溢出时会报错：java.lang.OutOfMemoryError: MetaSpace

2.可以使用 -XX：MaxMetaspaceSize 标志设置最大元空间大小，默认值为 unlimited就意味着它只受系统内存的限制。-XX：MetaspaceSize 调整标志定义元空间的初始大小如果未指定此标志，则 Metaspace 将根据运行时的应用程序需求动态地重新调整大小。

3.在 JDK8，合并 HotSpot 和 JRockit 的代码时, JRockit 从来没有一个叫永久代的东西, 合并之后就没有必要额外的设置这么一个永久代的地方了。

3.运行时常量池

方法区一部分。存在方法区的类存储（包括类的版本、字段、方法、接口等描述信息、常量池表）。存放编译期生成的各种字面量和符号引用。

同样因为在方法区中，当运行时常量池无法申请到内存时，会抛出java.lang.OutOfMemoryError。

但字符串常量放到了堆中。

JDK1.8版本的字符串常量池中存的是字符串对象，以及字符串常量值。

几个问题：

1.那么JVM 常量池中存储的是对象还是引用呢？字符串常量池呢？

运行时常量池其中的引用类型常量（例如CONSTANT_String、CONSTANT_Class、CONSTANT_MethodHandle、CONSTANT_MethodType之类）都存的是引用，实际的对象还是存在Java heap上的。字符串常量池则看情况而定。如果使用StringBuilder.append先创建堆对象，后面再intern，则是把常量池中的对象指向堆对象，常量池中也是个引用，普通的情况，字符串常量池是存了一个真的对象。

2.String s = new String("abc")这个语句创建了几个对象？

创建了2个对象，第一个对象是”abc”字符串存储在常量池中，第二个对象在JAVA Heap中的 String 对象（对象存储的就是字符常量池的引用），s指向的就是堆中这个String对象。

详细见此文章：https://blog.csdn.net/wangwenjie1997/article/details/108325863

3.如果是用"+"拼接的字符串呢？

"+"会被替换为采用了StringBuilder进行加号的拼接，只会在堆中创建一个String对象，并不会在常量池中存储对应的字符串。而“+”创建完字符串后，再调用intern做池化，因为JDK7之后对字符串常量池放到了堆中，所以当intern调用时，如果常量池没有这个字符串，就会在常量池中存了堆中对应字符串的引用。

即：当字符串常量池中并不存在对应字符串时，调用intern方法返回的地址为堆中对象的地址。

4.String.intern()方法流程？

String类的intern()方法：一个初始为空的字符串池，它由类String独自维护。当调用 intern方法时，如果字符串常量池池已经包含一个等于此String对象的字符串（用equals(oject)方法确定），则返回池中的字符串。否则，将此String对象添加到池中，并返回此String对象（注意是常量池中的对象，不是堆中的对象）的引用。对于任意两个字符串s和t，当且仅当s.equals(t)为true时，s.intern() == t.intern()才为true。所有字面值字符串和字符串赋值常量表达式都使用 intern方法进行操作。

1.7后使用intern不同的地方是，如果存在堆中的对象，字符常量池会直接保存这个堆中对象的引用，而不会重新创建对象。

详细的String.intern作用描述可以看该文章https://www.cnblogs.com/yrjns/p/12507892.html。

5.那么的String.intern如何做到节省内存呢？

比如一个10w次的循环，new String(String.valueOf(sample[i % sample.length]))，循环中如果字符串有重复的时候，new String创建都会判断常量池是否有该字面量对象，如果没有，都会创建一个，再创建一个堆中的字符串对象；也就是一直会在堆中创建一个对象指向字符串常量池的字符串对象。但如果用了new String(String.valueOf(sample[i % sample.length])).intern()；new String().intern实际上如果字符串常量池有这个字符串对象，就会直接返回常量池的对象引用给到变量，这个过程是不会在 Java 堆中再创建一个 String 对象的。

4.直接内存

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁地使用。也可能导致 OutOfMemoryError 错误出现。

JDK1.4 中新加入的 NIO(New Input/Output) 类，引入了一种基于通道（Channel）与缓存区（Buffer）的 I/O 方式，它可以直接使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样就能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在 Java 堆和 Native 堆之间来回复制数据。本机直接内存的分配不会受到 Java 堆的限制，但是，是内存就会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。