jvm系列（一）之内存模型

JVM内存结构

Java内存模型是指Java虚拟机的内存模型，我们来看下Java内存模型的图片：

 

 VM内存模型主要分为三块：Java 堆内存(Heap)、方法区(Non-Heap)、JMV栈(JVM Stack)、本地方法栈（Native Method Stacks）、程序计数器（Program Counter Register）。

 

Java堆（Heap)

对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”。如果从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。

根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。

如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

 

方法区（Method Area）

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它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。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。JDK1.6是这个内存结构，但在JDK1.7就开始将部分存放在方法区的信息转移到Java Heap或Native Heap中了，但是并没有完全去除方法区，如类加载的类定义还在方法区，符号引用(Symbols)转移到了Native heap（本地内存），字面量(interned strings)转移到了java heap，类的静态变量(class statics)转移到了java heap。而在JDK1.8/1.9之后彻底去除了方法区的概念，取而代之的是一个叫Metaspace（元空间）。

 

程序计数器（Program Counter Register）

　　程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的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这个计数器来完成。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）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，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Natvie方法，这个计数器值则为空（Undefined）。

此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

 

JVM栈（JVM Stacks）

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

 

本地方法栈（Native Method Stacks）

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。

与其他语言交互。

 

JVM内存的参数配置与调优

在通过一张图来了解如何通过参数来控制各区域的内存大小 

 

 

堆内存的接口和内存限制参数 

控制参数

-Xms             设置堆(heap)的最小空间大小。 
-Xmx             设置堆的最大空间大小。 

-XX:NewSize      设置新生代(Yong Generation)最小空间大小。 
-XX:MaxNewSize   设置新生代最大空间大小。 
# 需要注意： -Xmn256m  是将NewSize与MaxNewSize设为一致。相当于上面两个参数

-XX:PermSize     设置永久代(Permanent Generation)最小空间大小。 
-XX:MaxPermSize  设置永久代最大空间大小。 
-Xss             设置每个线程的堆栈大小。

也可以通过设置新生代和老年代内存的比值 来设置新生代大小

-XX:NewRatio=3
-XX:SurvivorRatio=8

设置新生代（包括Eden和两个Survivor区）与老年代的比值（除去持久代）。设置为3，则新生代与老年代所占比值为1：3，新生代占整个堆栈的1/4

设置为8,则两个Survivor区与一个Eden区的比值为2:8,一个Survivor区占整个新生代的1/10，则Eden 内存则为 8/10

老年代空间大小=堆空间大小-年轻代大空间大小

没有直接设置老年代的参数，但是可以设置堆空间大小和新生代空间大小两个参数来间接控制。

 

JDK8之后JVM没有方法区概念，所以没有PermSize参数设置取而代之是Matespace，参数设置为

-XX:MetaspaceSize，初始空间大小，达到该值就会触发垃圾收集进行类型卸载，同时GC会对该值进行调整：如果释放了大量的空间，就适当降低该值；如果释放了很少的空间，那么在不> 超过MaxMetaspaceSize时，适当提高该值。 
-XX:MaxMetaspaceSize，最大空间，默认是没有限制的。 

除了上面两个指定大小的选项以外，还有两个与 GC 相关的属性： 
-XX:MinMetaspaceFreeRatio，在GC之后，最小的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为分配空间所导致的垃圾收集 
-XX:MaxMetaspaceFreeRatio，在GC之后，最大的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为释放空间所导致的垃圾收集

 

栈（Stack）内存大小设置

-Xss1M

每个线程都会产生一个栈。在相同的物理内存下，减小这个值能生成更多的线程。但如果这个值太小会影响方法调用的深度。

 

直接内存（Direct ByteBUffer）大小设置

-XX:MaxDirectMemorySize

此参数的含义是当Direct ByteBuffer分配的堆外内存到达指定大小后，即触发Full GC。注意该值是有上限的，默认是64M，最大为sun.misc.VM.maxDirectMemory()，在程序中中可以获得-XX:MaxDirectMemorySize的设置的值。
使用NIO可以api可以使用直接内存。

 

设置新生代对象进入老年代的年龄

-XX:MaxTenuringThreshold=15

设置垃圾最大年龄。如果设置为0的话，则新生代对象不经过Survivor区，直接进入老年代。对于老年代比较多的应用，可以提高效率。如果将此值设置为一个较大值，则新生代对象会在Survivor区进行多次复制，这样可以增加对象再新生代的存活时间，增加在新生代即被回收的概论。

# 注意：这个值最大为15 ，因为对象头中用了4位进行存储垃圾年龄（二进制 1111 就是 十进制的 15 ）。

 

另外一些不常用的参数：

-XX:MaxHeapFreeRatio=70          GC后java堆中空闲量占的最大比例，大于该值，则堆内存会减少

-XX:MinHeapFreeRatio=40          GC后java堆中空闲量占的最小比例，小于该值，则堆内存会增加

-XX:PretenureSizeThreshold=1024 （单位字节）对象大小大于1024字节的直接在老年代分配对象

-XX:TLABWasteTargetPercent =1     TLAB占eden区的百分比 默认1%

 

 

 

 

方法区和对是所有线程共享的内存区域；而java栈、本地方法栈和程序员计数器是运行是线程私有的内存区域。

 

原文： http://blog.leanote.com/post/zhangyue/jvm系列之内存模型