JVM 内存

1 内存分区

JVM 所管理的内存分为以下几个区域

1.1 程序计数器

• 线程私有，是当前线程所执行字节码的行号指示器。
• 执行 java 方法，记录正在执行的虚拟机字节码指令的地址；执行 native 方法，计数器为空。
• JVM 中唯一不存在 OutOfMemoryError 的区域。

1.2 虚拟机栈

• 线程私有，控制方法执行
• 方法执行时创建一个栈帧，存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息
• 通常所讲的栈内存是指虚拟机栈中局部变量表部分，存放了基本数据类型、对象引用和 returnAddress 类型；
• 方法从调用到执行完成 == 栈帧在虚拟机栈从入栈到出栈。

1.3 本地方法栈

同虚拟机栈相似，只不过是调用 Native 时用到。

1.4 堆

• 存放对象实例，线程共享，空间最大。
• 内存回收角度：分代算法，新生代、老年代。
• 内存分配角度：可划分出多个线程私有的分配缓冲区。
• 不需要连续内存，可选择固定大小或可扩展
• 较新版本的 Java（从 Java 6 的某个更新开始）中，由于 JIT 编译器的发展和"逃逸分析"技术的逐渐成熟，栈上分配、标量替换等优化技术，使得对象不一定分配在堆上。

1.5 方法区

• 线程共享。存储已加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据。
• 堆的一个逻辑部分，别名“非堆”
• 可选择不实现 GC，该区域对于垃圾收集来说条件比较苛刻，但是还是非常有必要要进行回收处理

HotSpot 实现

• 永久代（PermGen）：jdk 1.8 之前，HotSpot 对方法区的永久代 GC 实现
• 元空间（Metaspace）：jdk 1.8 之后元空间替代了永久代，使用本地内存

1.6 运行时常量池

• 方法区一部分
• 存储 Class 文件中编译器生成的各种字面量，符号引用，直接引用；
• 具备动态性，可以在运行期间将新的常量放入池中，如 String 的 intern 方法；
• JDK1.7 之后字符串常量池移到堆空间

String.intern()

String.intern() 重用 String 对象

• 已包含
  返回常量池中字符串对象
• 未包含
  • 1.6 之前，将字符串对象复制到方法区常量池，并返回方法区复制对象的引用
  • 1.7 之后，将字符串对象的引用记录到堆中常量池，并返回此对象的引用。

1.7 直接内存

• 非 JVM 内存；
• NIO 可以使用 Native 函数库直接分配对外内存，通过 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作以提升性能；

2 堆中对象

HotSpot 虚拟机在 Java 堆中对象分配、布局和访问的全过程。

2.1 对象的创建

虚拟机 new 指令

1）类加载

先检查常量池看是否为常量，否则若类未加载则执行类加载；

2）内存分配

为新生对象分配内存。

对象所需的内存大小在类加载完成后便完全确定，从 Java 堆中划分出对象空间。

• 分配算法
  • 带 Compact 过程的收集器（Serial、ParNew 等）：指针碰撞
  • 基于 Mark-Sweep 算法收集器（CMS）：空闲列表
• 并发分配
  • 一是同步分配动作（CAS + 失败重试）；
  • 二是为每个线程分配一小块内存（本地线程分配缓冲，TLAB），各个线程独立分配，只有 TLAB 用完需要分配新的才需要同步锁定，虚拟机通过 -XX:+/-UseTLAB 参数来设定；

3）初始化零值

虚拟机将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头）

4）设置对象头

设置对象的对象头信息

5）执行方法

把对象按照程序员的意愿进行初始化

2.2 对象的内存布局

对象在内存中存储的布局可以分为 3 块区域：对象头、实例数据和对齐填充；

1）对象头

对象头包括两部分信息：

• 自身运行时数据
  如哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等；
• 类型指针
  即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

如果对象是一个Java数组，对象头中还必须记录数组长度。

2）实例数据

实例数据存储代码中所定义的各种类型字段内容，包括父类中字段。

存储顺序受到虚拟机分配策略参数和字段在 Java 源码中定义顺序的影响。

3）对齐填充

对齐填充不是必然存在的，主要是由于 HotSpot VM 的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是 8 字节的整数倍。

2.3 对象的访问定位

栈上的 reference 类型目前主流的方式有句柄和直接指针两种。

1）句柄

Java 堆中划出一块内存作为句柄池，reference 中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息。

最大好处是 reference 存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时）时只改变句柄中实例数据指针，而 reference 本身不需要修改；

2）直接指针

reference 中存储的直接就是对象地址，在堆对象中放置访问类型数据的相关信息

最大好处在于速度更快，节省了一次指针定位的时机开销。

HotSpot采用该方式进行对象访问，但其他语言和框架采用句柄的也非常常见。

3 内存溢出异常 OOM

3.1 堆溢出

1) 异常报错

在 JVM 中如果 98％ 的时间是用于 GC 且可用的 Heap size 不足 2％ 的时候将抛出此异常信息

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space 

2) 堆参数

• -Xms（初始空间）：推荐物理内存的 1/64
• -Xmx（最大空间）：推荐物理内存的 1/4。
  一般的要将 -Xms 和 -Xmx 选项设置为相同，以避免每次垃圾回收完成后 JVM 重新分配内存。
• -Xmn（年轻代大小）：推荐配置为整个堆（-Xmx）的3/8。

Heap size 大小 = 年轻代大小 + 年老代大小 + 持久代大小。

持久代一般固定大小为 64m，所以增大年轻代后，将会减小年老代大小。

提示：Heap Size 最大不要超过可用物理内存的 80％

3) 解决思路

先通过内存映像分析工具对 dump 出来的堆转储快照进行分析，先分清楚是内存泄漏还是内存溢出：

• 内存泄漏：进一步查看泄漏对象到 GC Roots 的引用链，从而确认为什么无法回收；
• 内存溢出：则应当检查虚拟机堆参数或检查是否存在对象生命周期过长、持有状态时间过长的情况；

3.2 栈溢出

1) 异常报错

HotSpot 不区分虚拟机栈和本地方法栈

• 线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的长度

StackOverflowError

• 虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间

OutOfMemoryError

StackOverflowError和OutOfMemoryError存在互相重叠的地方

2) 栈参数

• -Xss（每个线程的栈容量）

3) 解决思路

虚拟机的默认参数对于通常的方法调用（1000~2000 层）完全够用，通常根据异常的堆栈日志就可以很容易定位问题。

如果建立过多线程导致内存溢出，在不能减少线程数的情况下，只能通过减少最大堆和减少栈容量来换取更多线程。

3.3 方法区溢出

1) 异常报错

若 Class 加载过多就可能报 PermGen space 。

java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space 

常见于引用了大量的第三方 jar,对 JSP 进行 pre compile 时。

2) 栈参数

1.8 之前

• -XX:PermSize 设置方法区大小
• -XX:MaxPermSize 限制方法区大小

1.8 之后

• -XX:MetaSpaceSize 初始空间大小，触发GC调整，多退少补
• -XX:MaxMetaspaceSize 最大空间，默认没有限制

3.4 直接内存溢出

1) 异常报错

DirectMemory 导致的内存溢出，在 Heap Dump 里不会看见明显的异常。

2) 直接内存参数

-XX:MaxDirectMemorySize ，如不指定，默认与堆最大值一样

3) 解决思路

如果发现 OouOfMemory 之后 Dump 文件很小，程序又使用了 NIO，那就可以检查下是否这方面的原因。