JVM進(jìn)程的內(nèi)存結(jié)構(gòu)及Linux與JVM的內(nèi)存關(guān)系

另外舱污，自己在看這篇文章時想幻，還看到了幾篇不錯的文章粱栖，在這里貼出來，希望對大家有所幫助脏毯，同時感謝這些技術(shù)大佬的分享闹究！

(1)?https://thoughts-on-java.org/review-java-performance-definitive/

(2)?http://blog.51cto.com/lavasoft/27069

(3)?https://tech.meituan.com/jvm_optimize.html

原文出處：?美團(tuán)技術(shù)團(tuán)隊(duì)

本文轉(zhuǎn)載自：http://www.open-open.com/lib/view/open1420814127390.html

引言

在一些物理內(nèi)存為8g的服務(wù)器上，主要運(yùn)行一個Java服務(wù)食店，系統(tǒng)內(nèi)存分配如下：Java服務(wù)的JVM堆大小設(shè)置為6g渣淤，一個監(jiān)控進(jìn)程占用大約 600m，Linux自身使用大約800m吉嫩。從表面上价认，物理內(nèi)存應(yīng)該是足夠使用的；但實(shí)際運(yùn)行的情況是自娩，會發(fā)生大量使用SWAP(說明物理內(nèi)存不夠使用了)用踩，如下圖所示。同時，由于SWAP和GC同時發(fā)生會致使JVM嚴(yán)重卡頓脐彩，所以我們要追問：內(nèi)存究竟去哪兒了碎乃？

要分析這個問題，理解JVM和操作系統(tǒng)之間的內(nèi)存關(guān)系非常重要丁屎。接下來主要就Linux與JVM之間的內(nèi)存關(guān)系進(jìn)行一些分析荠锭。

一、Linux與進(jìn)程內(nèi)存模型

JVM以一個進(jìn)程（Process）的身份運(yùn)行在Linux系統(tǒng)上晨川，了解Linux與進(jìn)程的內(nèi)存關(guān)系证九，是理解JVM與Linux內(nèi)存的關(guān)系的基礎(chǔ)。

下圖給出了硬件共虑、系統(tǒng)愧怜、進(jìn)程三個層面的內(nèi)存之間的概要關(guān)系。

從硬件上看妈拌，Linux系統(tǒng)的內(nèi)存空間由兩個部分構(gòu)成：物理內(nèi)存和SWAP（位于磁盤）拥坛。物理內(nèi)存是Linux活動時使用的主要內(nèi)存區(qū)域；當(dāng)物理內(nèi) 存不夠使用時尘分，Linux會把一部分暫時不用的內(nèi)存數(shù)據(jù)放到磁盤上的SWAP中去猜惋，以便騰出更多的可用內(nèi)存空間；而當(dāng)需要使用位于SWAP的數(shù)據(jù)時培愁，必須先將其換回到內(nèi)存中著摔。

從Linux系統(tǒng)上看，除了引導(dǎo)系統(tǒng)的BIN區(qū)定续，整個內(nèi)存空間主要被分成兩個部分：內(nèi)核內(nèi)存（Kernel space）谍咆、用戶內(nèi)存（User space）。

內(nèi)核內(nèi)存是Linux自身使用的內(nèi)存空間私股，主要提供給程序調(diào)度摹察、內(nèi)存分配、連接硬件資源等程序邏輯使用倡鲸。用戶內(nèi)存是提供給各個進(jìn)程主要空間供嚎，Linux給各個進(jìn)程提供相同的虛擬內(nèi)存空間；這使得進(jìn)程之間相互獨(dú)立峭状，互不干擾克滴。實(shí)現(xiàn)的方法是采用虛擬內(nèi)存技術(shù)：給每一個進(jìn)程一定虛擬內(nèi)存空間，而只有當(dāng)虛擬內(nèi)存實(shí) 際被使用時宁炫，才分配物理內(nèi)存偿曙。如下圖所示氮凝，對于32的Linux系統(tǒng)來說羔巢，一般將0～3G的虛擬內(nèi)存空間分配做為用戶空間，將3～4G的虛擬內(nèi)存空間分配為內(nèi)核空間；64位系統(tǒng)的劃分情況是類似的竿秆。

從進(jìn)程的角度來看启摄，進(jìn)程能直接訪問的用戶內(nèi)存（虛擬內(nèi)存空間）被劃分為5個部分：代碼區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)幽钢、堆區(qū)歉备、棧區(qū)、未使用區(qū)匪燕。代碼區(qū)中存放應(yīng)用程序的機(jī) 器代碼蕾羊，運(yùn)行過程中代碼不能被修改，具有只讀和固定大小的特點(diǎn)帽驯。數(shù)據(jù)區(qū)中存放了應(yīng)用程序中的全局?jǐn)?shù)據(jù)龟再，靜態(tài)數(shù)據(jù)和一些常量字符串等，其大小也是固定的尼变。堆是運(yùn)行時程序動態(tài)申請的空間利凑，屬于程序運(yùn)行時直接申請、釋放的內(nèi)存資源嫌术。棧區(qū)用來存放函數(shù)的傳入?yún)?shù)哀澈、臨時變量，以及返回地址等數(shù)據(jù)度气。未使用區(qū)是分配新內(nèi) 存空間的預(yù)備區(qū)域割按。

二、進(jìn)程與JVM內(nèi)存模型

JVM本質(zhì)就是一個進(jìn)程蚯嫌，因此其內(nèi)存模型也有進(jìn)程的一般特點(diǎn)哲虾。但是，JVM又不是一個普通的進(jìn)程择示，其在內(nèi)存模型上有許多嶄新的特點(diǎn)束凑，主要原因有兩個：1.JVM將許多本來屬于操作系統(tǒng)管理范疇的東西，移植到了JVM內(nèi)部栅盲，目的在于減少系統(tǒng)調(diào)用的次數(shù)汪诉；2. Java NIO，目的在于減少用于讀寫IO的系統(tǒng)調(diào)用的開銷谈秫。 JVM進(jìn)程與普通進(jìn)程內(nèi)存模型比較如下圖:

需要說明的是扒寄，這個模型的并不是JVM內(nèi)存使用的精確模型，更側(cè)重于從操作系統(tǒng)的角度而省略了一些JVM的內(nèi)部細(xì)節(jié)（盡管也很重要）拟烫。下面從用戶內(nèi)存和內(nèi)核內(nèi)存兩個方面講解JVM進(jìn)程的內(nèi)存特點(diǎn)该编。

1.用戶內(nèi)存

上圖特別強(qiáng)調(diào)了JVM進(jìn)程模型的代碼區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)指的是JVM自身的，而非Java程序的硕淑。普通進(jìn)程棧區(qū)课竣，在JVM一般僅僅用做線程棧嘉赎。JVM的堆區(qū)和普通進(jìn)程的差別是最大的，下面具體詳細(xì)說明：

首先是永久代于樟。永久代本質(zhì)上是Java程序的代碼區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)公条。Java程序中類（class），會被加載到整個區(qū)域的不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中去迂曲，包括常量池靶橱、域、方法數(shù)據(jù)路捧、方法體关霸、構(gòu)造函數(shù)、以及類中的專用方法杰扫、實(shí)例初始化谒拴、接口初始化等。這個區(qū)域?qū)τ诓僮飨到y(tǒng)來說涉波，是堆的一個部分英上；而對于Java程序來說，這是容納程序本身及靜態(tài)資源的空間啤覆，使得JVM能夠解釋執(zhí)行Java程序苍日。

其次是新生代和老年代。新生代和老年代才是Java程序真正使用的堆空間窗声，主要用于內(nèi)存對象的存儲相恃；但是其管理方式和普通進(jìn)程有本質(zhì)的區(qū)別。

普通進(jìn)程在運(yùn)行時給內(nèi)存對象分配空間時笨觅，比如C++執(zhí)行new操作時拦耐，會觸發(fā)一次分配內(nèi)存空間的系統(tǒng)調(diào)用，由操作系統(tǒng)的線程根據(jù)對象的大小分配好空間后返回见剩；同時杀糯，程序釋放對象時，比如C++執(zhí)行delete操作時苍苞，也會觸發(fā)一次系統(tǒng)調(diào)用固翰，通知操作系統(tǒng)對象所占用的空間已經(jīng)可以回收。

JVM對內(nèi)存的使用和一般進(jìn)程不同羹呵。JVM向操作系統(tǒng)申請一整段內(nèi)存區(qū)域（具體大小可以在JVM參數(shù)調(diào)節(jié)）作為Java程序的堆（分為新生代和老年代）骂际；當(dāng)Java程序申請內(nèi)存空間，比如執(zhí)行new操作冈欢，JVM將在這段空間中按所需大小分配給Java程序歉铝，并且Java程序不負(fù)責(zé)通知JVM何時可以釋放這個對象的空間，垃圾對象內(nèi)存空間的回收由JVM進(jìn)行凑耻。

JVM的內(nèi)存管理方式的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的太示，包括：第一送火，減少系統(tǒng)調(diào)用的次數(shù)，JVM在給Java程序分配內(nèi)存空間時不需要操作系統(tǒng)干預(yù)先匪，僅僅在 Java堆大小變化時需要向操作系統(tǒng)申請內(nèi)存或通知回收，而普通程序每次內(nèi)存空間的分配回收都需要系統(tǒng)調(diào)用參與弃衍；第二呀非，減少內(nèi)存泄漏，普通程序沒有（或者沒有及時）通知操作系統(tǒng)內(nèi)存空間的釋放是內(nèi)存泄漏的重要原因之一镜盯，而由JVM統(tǒng)一管理岸裙，可以避免程序員帶來的內(nèi)存泄漏問題。

最后是未使用區(qū)速缆，未使用區(qū)是分配新內(nèi)存空間的預(yù)備區(qū)域降允。對于普通進(jìn)程來說，這個區(qū)域被可用于堆和椧彰樱空間的申請及釋放剧董，每次堆內(nèi)存分配都會使用這個區(qū) 域，因此大小變動頻繁破停；對于JVM進(jìn)程來說翅楼，調(diào)整堆大小及線程棧時會使用該區(qū)域，而堆大小一般較少調(diào)整真慢，因此大小相對穩(wěn)定毅臊。操作系統(tǒng)會動態(tài)調(diào)整這個區(qū)域的大小，并且這個區(qū)域通常并沒有被分配實(shí)際的物理內(nèi)存黑界，只是允許進(jìn)程在這個區(qū)域申請堆或椆苕遥空間。

2.內(nèi)核內(nèi)存

應(yīng)用程序通常不直接和內(nèi)核內(nèi)存打交道朗鸠，內(nèi)核內(nèi)存由操作系統(tǒng)進(jìn)行管理和使用蚯撩；不過隨著Linux對性能的關(guān)注及改進(jìn)，一些新的特性使得應(yīng)用程序可以使用內(nèi)核內(nèi)存烛占，或者是映射到內(nèi)核空間求厕。Java NIO正是在這種背景下誕生的，其充分利用了Linux系統(tǒng)的新特性扰楼，提升了Java程序的IO性能呀癣。

上圖給出了Java NIO使用的內(nèi)核內(nèi)存在linux系統(tǒng)中的分布情況。nio buffer主要包括：nio使用各種channel時所使用的ByteBuffer弦赖、Java程序主動使用 ByteBuffer.allocateDirector申請分配的Buffer项栏。而在PageCache里面，nio使用的內(nèi)存主要包括：FileChannel.map方式打開文件占用mapped蹬竖、FileChannel.transferTo和 FileChannel.transferFrom所需要的Cache（圖中標(biāo)示 nio file）沼沈。

通過JMX可以監(jiān)控到NIO Buffer和 mapped 的使用情況流酬，如下圖所示。不過列另，F(xiàn)ileChannel的實(shí)現(xiàn)是通過系統(tǒng)調(diào)用使用原生的PageCache芽腾，過程對于Java是透明的，無法監(jiān)控到這部分內(nèi)存的使用大小页衙。

Linux和Java NIO在內(nèi)核內(nèi)存上開辟空間給程序使用摊滔，主要是減少不要的復(fù)制，以減少IO操作系統(tǒng)調(diào)用的開銷店乐。例如艰躺，將磁盤文件的數(shù)據(jù)發(fā)送網(wǎng)卡，使用普通方法和NIO時眨八，數(shù)據(jù)流動比較下圖所示：

將數(shù)據(jù)在內(nèi)核內(nèi)存和用戶內(nèi)存之間拷貝是比較消耗資源和時間的事情腺兴，而從上圖我們可以看到，通過NIO的方式減少了2次內(nèi)核內(nèi)存和用戶內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)拷貝廉侧。這是Java NIO高性能的重要機(jī)制之一（另一個是異步非阻塞）页响。

從上面可以看出，內(nèi)核內(nèi)存對于Java程序性能也非常重要段誊，因此拘泞，在劃分系統(tǒng)內(nèi)存使用時候，一定要給內(nèi)核留出一定可用空間枕扫。

三陪腌、案例分析

1.內(nèi)存分配問題

通過上面的分析，省略比較小的區(qū)域烟瞧，可以總結(jié)JVM占用的內(nèi)存：

JVM內(nèi)存 ≈ Java永久代＋ Java堆(新生代和老年代) ＋線程棧＋ Java NIO

回到文章開頭提出的問題诗鸭，原來的內(nèi)存分配是：6g(java堆) ＋ 600m(監(jiān)控) ＋ 800m(系統(tǒng))，剩余大約600m內(nèi)存未分配参滴。

現(xiàn)在分析這600m內(nèi)存的分配情況：

(1)Linux保留大約200m强岸，這部分是Linux正常運(yùn)行的需要，

(2)Java服務(wù)的線程數(shù)量是160個砾赔，JVM默認(rèn)的線程棧大小是1m蝌箍，因此使用160m內(nèi)存，

(3)Java NIO buffer暴心，通過JMX查到最多占用了200m妓盲，

(4)Java服務(wù)使用NIO大量讀寫文件，需要使用PageCache专普，正如前面分析悯衬，這個暫時不好定量估算大小。

前三項(xiàng)加起來已經(jīng)560m檀夹，因此可以斷定Linux物理內(nèi)存不夠使用筋粗。

細(xì)心的人會發(fā)現(xiàn)策橘，引言中給出兩個服務(wù)器，一個SWAP最多占用了2.16g娜亿，另外一個SWAP最多占用了871m丽已；但是，似乎我們的內(nèi)存缺口沒有那么大买决。事實(shí)上沛婴，這是由于SWAP和GC同時進(jìn)行造成的，從下圖可以看到策州，SWAP的使用和長時間的GC在同一時刻發(fā)生。

SWAP和GC同時發(fā)生會導(dǎo)致GC時間很長宫仗，JVM嚴(yán)重卡頓够挂，極端的情況下會導(dǎo)致服務(wù)崩潰。原因如下：JVM進(jìn)行GC時藕夫，時需要對相應(yīng)堆分區(qū)的已用內(nèi)存進(jìn)行遍歷孽糖；假如GC的時候，有堆的一部分內(nèi)容被交換到SWAP中毅贮，遍歷到這部分的時候就需要將其交換回內(nèi)存办悟，同時由于內(nèi)存空間不足，就需要把內(nèi)存中堆的另外一部分換到SWAP中去滩褥；于是在遍歷堆分區(qū)的過程中病蛉，(極端情況下)會把整個堆分區(qū)輪流往SWAP寫一遍。Linux對SWAP的回收是滯后的瑰煎，我們就會看到大量SWAP占用铺然。

上述問題，可以通過減少堆大小酒甸，或者增加物理內(nèi)存解決魄健。

因此，我們得出一個結(jié)論：部署Java服務(wù)的Linux系統(tǒng)插勤，在內(nèi)存分配上沽瘦，需要避免SWAP的使用；具體如何分配需要綜合考慮不同場景下JVM對Java永久代农尖、Java堆(新生代和老年代)析恋、線程棧、Java NIO所使用內(nèi)存的需求盛卡。

2.內(nèi)存泄漏問題

另一個案例是绿满，8g內(nèi)存的服務(wù)器，Linux使用800m窟扑，監(jiān)控進(jìn)程使用600m喇颁，堆大小設(shè)置4g；系統(tǒng)可用內(nèi)存有2.5g左右橘霎，但是也發(fā)生了大量的SWAP占用姐叁。

分析這個問題如下：

(1)在這個場景中， Java永久代原环、Java堆(新生代和老年代)嘱吗、線程棧所用內(nèi)存基本是固定的谒麦，因此哆致，占用內(nèi)存過多的原因就定位在Java NIO上摊阀。

(2)根據(jù)前面的模型，Java NIO使用的內(nèi)存主要分布在Linux內(nèi)核內(nèi)存的System區(qū)和PageCache區(qū)城丧。查看監(jiān)控的記錄豌鹤，如下圖布疙，我們可以看到發(fā)生SWAP之前灵临，也就是物理內(nèi)存不夠使用的時候儒溉，PageCache急劇縮小。因此波闹，可以定位在System區(qū)的Java NIO Buffer發(fā)生內(nèi)存泄漏精堕。

(3)由于NIO的DirectByteBuffer需要在GC的后期被回收瘫证，因此連續(xù)申請DirectByteBuffer的程序背捌，通常需要調(diào)用 System.gc()毡庆，避免長時間不發(fā)生FullGC導(dǎo)致引用在old區(qū)的DirectByteBuffer內(nèi)存泄漏巡扇。分析到此厅翔，可以推斷有兩種可能的原因：第一刀闷，Java程序沒有在必要的時候調(diào)用System.gc()甸昏；第二徐许，System.gc()被禁用雌隅。

(4)最后是要排查JVM啟動參數(shù)和Java程序的DirectByteBuffer使用情況恰起。在本例中检盼，查看JVM啟動參數(shù)，發(fā)現(xiàn)啟用了-XX:+DisableExplicitGC導(dǎo)致System.gc()被禁用蹦渣。

四剂桥、總結(jié)

本文詳細(xì)分析了Linux與JVM的內(nèi)存關(guān)系权逗，比較了一般進(jìn)程與JVM進(jìn)程使用內(nèi)存的異同點(diǎn)斟薇，理解這些特性將對Linux系統(tǒng)內(nèi)存分配、JVM調(diào)優(yōu)胯陋、Java程序優(yōu)化有幫助遏乔。限于篇幅關(guān)系僅僅列舉兩個案例盟萨，希望起到拋磚引玉的作用捻激。