JVM的內(nèi)存區(qū)域是怎么劃分的？

JVM的內(nèi)存劃分中柴淘，有部分區(qū)域是線程私有的仿便，有部分是屬于整個JVM進程夕膀；有些區(qū)域會拋出OOM異常恼除，有些則不會咧擂，了解JVM的內(nèi)存區(qū)域劃分以及特征宫患，是定位線上內(nèi)存問題的基礎(chǔ)麦到。那么JVM內(nèi)存區(qū)域是怎么劃分的呢振惰？

首先是程序計數(shù)器（Program Counter Register)歌溉，在JVM規(guī)范中，每個線程都有自己的程序計數(shù)器报账。這是一塊比較小的內(nèi)存空間研底，存儲當前線程正在執(zhí)行的Java方法的JVM指令地址，即字節(jié)碼的行號透罢。如果正在執(zhí)行Native方法榜晦，則這個計數(shù)器為空。該內(nèi)存區(qū)域是唯一一個在Java虛擬機規(guī)范中沒有規(guī)定任何OOM情況的內(nèi)存區(qū)域羽圃。

第二乾胶，Java虛擬機棧(Java Virtal Machine Stack)，同樣也是屬于線程私有區(qū)域朽寞，每個線程在創(chuàng)建的時候都會創(chuàng)建一個虛擬機棧识窿，生命周期與線程一致，線程退出時脑融，線程的虛擬機棧也回收喻频。虛擬機棧內(nèi)部保持一個個的棧幀，每次方法調(diào)用都會進行壓棧肘迎，JVM對棧幀的操作只有出棧和壓棧兩種甥温，方法調(diào)用結(jié)束時會進行出棧操作。

該區(qū)域存儲著局部變量表妓布，編譯時期可知的各種基本類型數(shù)據(jù)姻蚓、對象引用、方法出口等信息匣沼。

第三狰挡，本地方法棧（Native Method Stack）與虛擬機棧類似，本地方法棧是在調(diào)用本地方法時使用的棧，每個線程都有一個本地方法棧加叁。

第四倦沧，堆（Heap）,幾乎所有創(chuàng)建的Java對象實例，都是被直接分配到堆上的它匕。堆被所有的線程所共享刀脏，在堆上的區(qū)域，會被垃圾回收器做進一步劃分超凳，例如新生代、老年代的劃分耀态。Java虛擬機在啟動的時候轮傍，可以使用“Xmx”之類的參數(shù)指定堆區(qū)域的大小。

第五首装，方法區(qū)（Method Area)创夜。方法區(qū)與堆一樣，也是所有的線程所共享仙逻，存儲被虛擬機加載的元（Meta）數(shù)據(jù)驰吓，包括類信息、常量系奉、靜態(tài)變量檬贰、即時編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。這里需要注意的是運行時常量池也在方法區(qū)中缺亮。根據(jù)Java虛擬機規(guī)范的規(guī)定翁涤，當方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時，將拋出OutOfMemoryError異常萌踱。由于早期HotSpot JVM的實現(xiàn)葵礼，將CG分代收集拓展到了方法區(qū)，因此很多人會將方法區(qū)稱為永久代并鸵。Oracle JDK8中已永久代移除永久代鸳粉，同時增加了元數(shù)據(jù)區(qū)（Metaspace）。

第六园担，運行時常量池（Run-Time Constant Pool)届谈，這是方法區(qū)的一部分，受到方法區(qū)內(nèi)存的限制粉铐，當常量池無法再申請到內(nèi)存時疼约，會拋出OutOfMemoryError異常。

在Class文件中蝙泼，除了有類的版本程剥、方法、字段、接口等描述信息外织鲸，還有一項信息是常量池舔腾。每個Class文件的頭四個字節(jié)稱為Magic Number，它的作用是確定這是否是一個可以被虛擬機接受的文件搂擦；接著的四個字節(jié)存儲的是Class文件的版本號稳诚。緊挨著版本號之后的，就是常量池入口了瀑踢。常量池主要存放兩大類常量：

1.? 字面量（Literal）扳还，如文本字符串、final常量值

2.? 符號引用橱夭，存放了與編譯相關(guān)的一些常量氨距，因為Java不像C++那樣有連接的過程，因此字段方法這些符號引用在運行期就需要進行轉(zhuǎn)換棘劣，以便得到真正的內(nèi)存入口地址俏让。

class文件中的常量池，也稱為靜態(tài)常量池茬暇，JVM虛擬機完成類裝載操作后首昔，會把靜態(tài)常量池加載到內(nèi)存中，存放在運行時常量池糙俗。

第七勒奇，直接內(nèi)存（Direct Memory），直接內(nèi)存并不屬于Java規(guī)范規(guī)定的屬于Java虛擬機運行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分臼节。Java的NIO可以使用Native方法直接在java堆外分配內(nèi)存撬陵，使用DirectByteBuffer對象作為這個堆外內(nèi)存的引用。

下面這張圖网缝，反映了運行中的Java進程內(nèi)存占用情況：

OOM可能發(fā)生在哪些區(qū)域上巨税？

根據(jù)javadoc的描述，OOM是指JVM的內(nèi)存不夠用了粉臊，同時垃圾收集器也無法提供更多的內(nèi)存草添。從描述中可以看出，在JVM拋出OutOfMemoryError之前扼仲，垃圾收集器一般會出馬先嘗試回收內(nèi)存远寸。

從上面分析的Java數(shù)據(jù)區(qū)來看，除了程序計數(shù)器不會發(fā)生OOM外屠凶，哪些區(qū)域會發(fā)生OOM的情況呢驰后？

第一，堆內(nèi)存矗愧。堆內(nèi)存不足是最常見的發(fā)送OOM的原因之一灶芝，如果在堆中沒有內(nèi)存完成對象實例的分配，并且堆無法再擴展時，將拋出OutOfMemoryError異常夜涕。當前主流的JVM可以通過-Xmx和-Xms來控制堆內(nèi)存的大小犯犁，發(fā)生堆上OOM的可能是存在內(nèi)存泄露，也可能是堆大小分配不合理女器。

第二酸役，Java虛擬機棧和本地方法棧，這兩個區(qū)域的區(qū)別不過是虛擬機棧為虛擬機執(zhí)行Java方法服務(wù)驾胆，而本地方法棧則為虛擬機使用到的Native方法服務(wù)涣澡，在內(nèi)存分配異常上是相同的。在JVM規(guī)范中丧诺，對Java虛擬機棧規(guī)定了兩種異常：1.如果線程請求的棧大于所分配的棧大小暑塑，則拋出StackOverFlowError錯誤，比如進行了一個不會停止的遞歸調(diào)用锅必；2. 如果虛擬機棧是可以動態(tài)拓展的，拓展時無法申請到足夠的內(nèi)存惕艳，則拋出OutOfMemoryError錯誤搞隐。

第三，直接內(nèi)存远搪。直接內(nèi)存雖然不是虛擬機運行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分劣纲，但既然是內(nèi)存，就會受到物理內(nèi)存的限制谁鳍。在JDK1.4中引入的NIO使用Native函數(shù)庫在堆外內(nèi)存上直接分配內(nèi)存癞季，但直接內(nèi)存不足時，也會導(dǎo)致OOM倘潜。

第四绷柒，方法區(qū)。隨著Metaspace元數(shù)據(jù)區(qū)的引入涮因，方法區(qū)的OOM錯誤信息也變成了“java.lang.OutOfMemoryError:Metaspace”废睦。對于舊版本的Oracle JDK，由于永久代的大小有限养泡，而JVM對永久代的垃圾回收并不積極嗜湃，如果往永久代不斷寫入數(shù)據(jù)，例如String.Intern()的調(diào)用澜掩，在永久代占用太多空間導(dǎo)致內(nèi)存不足购披，也會出現(xiàn)OOM的問題，對應(yīng)的錯誤信為“java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space”

堆內(nèi)存結(jié)構(gòu)是怎么樣的肩榕？

可以借助一些工具來了解JVM的內(nèi)存內(nèi)容刚陡，具體到特定的內(nèi)存區(qū)域，應(yīng)該用什么工具去定位呢？

圖形化工具橘荠。圖形化工具的優(yōu)點是直觀屿附，連接到Java進程后，可以顯示堆內(nèi)存哥童、堆外內(nèi)存的使用情況挺份，類似的工具有JConsole,VisualVm等。

命令行工具贮懈。這類工具可以在運行時進行查詢匀泊，包括jstat，jmap等朵你，可以對堆內(nèi)存各聘、方法區(qū)等進行查看。定位線上問題時也多會使用這些工具抡医。jmap也可以生成堆轉(zhuǎn)儲文件（Heap Dump）文件躲因，如果是在linux上，可以將堆轉(zhuǎn)儲文件拉到本地來忌傻，使用Eclipse MAT進行分析大脉，也可以使用jhap進行分析。

關(guān)于內(nèi)存的監(jiān)控與診斷水孩，在后面會進行深入了解×螅現(xiàn)在來看下一個問題：堆內(nèi)的結(jié)構(gòu)是怎么的呢？

站在垃圾收集器的角度來看俘种，可以把內(nèi)存分為新生代與老年代秤标。內(nèi)存的分配規(guī)則取決于當前使用的是哪種垃圾收集器的組合，以及內(nèi)存相關(guān)的參數(shù)配置宙刘。往大的方向說苍姜，對象優(yōu)先分配在新生代的Eden區(qū)域，而大對象直接進入老年代悬包。

第一, 新生代的Eden區(qū)域怖现，對象優(yōu)先分配在該區(qū)域，同時JVM可以為每個線程分配一個私有的緩存區(qū)域玉罐，稱為TLAB（Thread Local Allocation Buffer）屈嗤，避免多線程同時分配內(nèi)存時需要使用加鎖等機制而影響分配速度。TLAB在堆上分配吊输，位于Eden中饶号。TLAB的結(jié)構(gòu)如下：

?// ThreadLocalAllocBuffer: a descriptor for thread-local storage used by

// the threads for allocation.

// It is thread-private at any time, but maybe multiplexed over

// time across multiple threads. The park()/unpark() pair is

// used to make it avaiable for such multiplexing.

class ThreadLocalAllocBuffer: public CHeapObj<mtThread> {

friend class VMStructs;

private:

HeapWord* _start; // address of TLAB

HeapWord* _top; // address after last allocation

HeapWord* _pf_top; // allocation prefetch watermark

HeapWord* _end; // allocation end (excluding alignment

_reserve)

size_t _desired_size; // desired size (including alignment

_reserve)

size_t _refill_waste_limit; // hold onto tlab if free() is larger?

than this

從本質(zhì)上來說，TLAB的管理是依靠三個指針：start季蚂、end茫船、top琅束。start與end標記了Eden中被該TLAB管理的區(qū)域，該區(qū)域不會被其他線程分配內(nèi)存所使用算谈，top是分配指針涩禀，開始時指向start的位置，隨著內(nèi)存分配的進行然眼，慢慢向end靠近艾船，當撞上end時觸發(fā)TLAB refill。因此內(nèi)存中Eden的結(jié)構(gòu)大體為：

第二 高每、新生代的Survivor區(qū)域屿岂。當Eden區(qū)域內(nèi)存不足時會觸發(fā)Minor GC，也稱為新生代GC鲸匿，在Minor GC存活下來的對象爷怀，會被復(fù)制到Survivor區(qū)域中。我認為Survivor區(qū)的作用在于避免過早觸發(fā)Full GC带欢。如果沒有Survivor运授，Eden區(qū)每進行一次Minor GC都把對象直接送到老年代，老年代很快便會內(nèi)存不足引發(fā)Full GC乔煞。新生代中有兩個Survivor區(qū)徒坡，我認為兩個Survivor的作用在于提高性能，避免內(nèi)存碎片的出現(xiàn)瘤缩。在任何時候，總有一個Survivor是empty的伦泥，在發(fā)生Minor GC時剥啤，會將Eden及另一個的Survivor的存活對象拷貝到該empty Survivor中，從而避免內(nèi)存碎片的產(chǎn)生不脯。新生代的內(nèi)存結(jié)構(gòu)大體為：

第三府怯、老年代。老年代放置長生命周期的對象防楷，通常是從Survivor區(qū)域拷貝過來的對象牺丙，不過當對象過大的時候，無法在新生代中用連續(xù)內(nèi)存的存放复局，那么這個大對象就會被直接分配在老年代上冲簿。一般來說，普通的對象都是分配在TLAB上亿昏，較大的對象峦剔，直接分配在Eden區(qū)上的其他內(nèi)存區(qū)域，而過大的對象角钩，直接分配在老年代上吝沫。

第四呻澜、永久代。如前面所說惨险，在早起的Hotspot JVM中有老年代的概念羹幸，老年代用于存儲Java類的元數(shù)據(jù)、常量池辫愉、Intern字符串等栅受。在JDK8之后，就將老年代移除一屋，而引入元數(shù)據(jù)區(qū)的概念窘疮。

第五、Vritual空間冀墨。前面說過闸衫，可以使用Xms與Xmx來指定堆的最小與最大空間。如果Xms小于Xmx诽嘉，堆的大小不會直接擴展到上限蔚出，而是留著一部分等待內(nèi)存需求不斷增長時，再分配給新生代虫腋。Vritual空間便是這部分保留的內(nèi)存區(qū)域骄酗。

那么綜上所述，可以畫出Java堆內(nèi)的內(nèi)存結(jié)構(gòu)大體為：

通過一些參數(shù)悦冀，可以來指定上述的堆內(nèi)存區(qū)域的大星鞣：

1.? -Xmx value 指定最大的堆大小

2.? -Xms value 指定初始的最小堆大小

3.? -XX:NewSize = value 指定新生代的大小

4.? -XX：NewRatio = value 老年代與新生代的大小比例。默認情況下盒蟆，這個比例是2踏烙，也就是說老年代是新生代的2倍大。老年代過大的時候历等，F(xiàn)ull GC的時間會很長讨惩；老年代過小，則很容易觸發(fā)Full GC寒屯，F(xiàn)ull GC頻率過高荐捻，這就是這個參數(shù)會造成的影響。

5.? -XX：SurvivorRation = value . 設(shè)置Eden與Srivivor的大小比例寡夹，如果該值為8处面，代表一個Survivor是Eden的1/8，是整個新生代的1/10菩掏。

常用的性能監(jiān)控與問題定位工具有哪些鸳君？

在系統(tǒng)的性能分析中，CPU患蹂、內(nèi)存與IO是主要的關(guān)注項或颊。很多時候服務(wù)出現(xiàn)問題砸紊，在這三者上會體現(xiàn)出現(xiàn)，比如CPU飆升囱挑，內(nèi)存不足發(fā)生OOM等醉顽，這時候需要使用對應(yīng)的工具，來對性能進行監(jiān)控平挑，對問題進行定位游添。

對于CPU的監(jiān)控，首先可以使用top命令來進行查看通熄，下面是使用top查看負載的一個截圖：

load average 代表1分鐘唆涝、5分鐘、15分鐘的系統(tǒng)平均負載唇辨，從這三個數(shù)字廊酣，可以判斷系統(tǒng)負荷是大還是小。當CPU完全空閑的時候赏枚，平均負荷為0亡驰；當CPU工作量飽和的時候，平均負荷為1饿幅。因此 load average 這三個數(shù)值越低凡辱，代表系統(tǒng)負荷越小，那么什么時候能看出系統(tǒng)負荷比較重呢栗恩？這篇文章（Understanding Linux CPU Load – when should you be worried）里解釋得非常通俗透乾。如果電腦里只有一個CPU，把CPU看成一條單行橋磕秤，橋上只有一個車道乳乌，所有的車都必須從這個橋上通過。那么

系統(tǒng)負荷為0亲澡，代表橋上一輛車也沒有

系統(tǒng)負荷0.5，意味著橋上一半路段上有車

系統(tǒng)負荷1纫版，意味著橋上道路已經(jīng)被車占滿

系統(tǒng)負荷1.7床绪，代表著在橋上車子已經(jīng)滿了（100%），同時還有70%的車子在等待從橋上通過：

從top命令的截圖中可以看到這三個值機器的load average非常低其弊。如果這三個值非常高癞己，比如超過了50%或60%，就應(yīng)當引起注意梭伐。從時間維度上來說痹雅，如果發(fā)現(xiàn)CPU負荷慢慢升高，也需要警惕糊识。

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