在一些物理內(nèi)存為8g的服務(wù)器上收毫，主要運行一個Java服務(wù)巢寡，系統(tǒng)內(nèi)存分配如下：Java服務(wù)的JVM堆大小設(shè)置為6g宠能，一個監(jiān)控進(jìn)程占用大約 600m饺著，Linux自身使用大約800m箫攀。

從表面上，物理內(nèi)存應(yīng)該是足夠使用的幼衰；但實際運行的情況是靴跛，會發(fā)生大量使用SWAP(說明物理內(nèi)存不夠使用 了)，如下圖所示渡嚣。由于SWAP和GC同時發(fā)生會致使JVM嚴(yán)重卡頓梢睛，所以我們要追問：內(nèi)存究竟去哪兒了？

要分析這個問題识椰，理解JVM和操作系統(tǒng)之間的內(nèi)存關(guān)系非常重要绝葡。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。

一腹鹉、Linux與進(jìn)程內(nèi)存模型

JVM以一個進(jìn)程（Process）的身份運行在Linux系統(tǒng)上藏畅，了解Linux與進(jìn)程的內(nèi)存關(guān)系，是理解JVM與Linux內(nèi)存的關(guān)系的基礎(chǔ)种蘸。下圖給出了硬件墓赴、系統(tǒng)、進(jìn)程三個層面的內(nèi)存之間的概要關(guān)系航瞭。

從硬件上看诫硕，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）。物理內(nèi)存是Linux活動時使用的主要內(nèi)存區(qū)域刊侯；當(dāng)物理內(nèi)存不夠使用時章办，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，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)時藕届，必須 先將其換回到內(nèi)存中挪蹭。JVM運行時區(qū)域詳解，推薦大家看下休偶。

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

內(nèi)核內(nèi)存是Linux自身使用的內(nèi)存空間，主要提供給程序調(diào)度碱妆、內(nèi)存分配肉盹、連接硬件資源等程序邏輯使用。

用戶內(nèi)存是提供給各個進(jìn)程主要空間疹尾，Linux給各個進(jìn)程提供相同的虛擬內(nèi)存空間上忍；這使得進(jìn)程之間相互獨立，互不干擾纳本。實現(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)存空間窍蓝，而只有當(dāng)虛擬內(nèi)存實 際被使用時，才分配物理內(nèi)存饮醇。

如下圖所示它抱，對于32的Linux系統(tǒng)來說，一般將0～3G的虛擬內(nèi)存空間分配做為用戶空間朴艰，將3～4G的虛擬內(nèi)存空間分配 為內(nèi)核空間观蓄；64位系統(tǒng)的劃分情況是類似的。

從進(jìn)程的角度來看祠墅，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)侮穿、數(shù)據(jù)區(qū)、堆區(qū)毁嗦、棧區(qū)亲茅、未使用區(qū)。

代碼區(qū)中存放應(yīng)用程序的機(jī)器代碼狗准，運行過程中代碼不能被修改克锣，具有只讀和固定大小的特點。

數(shù)據(jù)區(qū)中存放了應(yīng)用程序中的全局?jǐn)?shù)據(jù)腔长，靜態(tài)數(shù)據(jù)和一些常量字符串等袭祟，其大小也是固定的。

堆是運行時程序動態(tài)申請的空間捞附，屬于程序運行時直接申請巾乳、釋放的內(nèi)存資源您没。

棧區(qū)用來存放函數(shù)的傳入?yún)?shù)、臨時變量胆绊，以及返回地址等數(shù)據(jù)氨鹏。

未使用區(qū)是分配新內(nèi) 存空間的預(yù)備區(qū)域。

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二剩盒、進(jìn)程與JVM內(nèi)存空間

JVM本質(zhì)就是一個進(jìn)程谷婆，因此其內(nèi)存空間（也稱之為運行時數(shù)據(jù)區(qū)，注意與JMM的區(qū)別）也有進(jìn)程的一般特點辽聊。深入淺出 Java 中 JVM 內(nèi)存管理纪挎，這篇參考下。

但是跟匆，JVM又不是一個普通的進(jìn)程异袄，其在內(nèi)存空間上有許多嶄新的特點，主要原因有兩 個：

JVM將許多本來屬于操作系統(tǒng)管理范疇的東西玛臂，移植到了JVM內(nèi)部烤蜕，目的在于減少系統(tǒng)調(diào)用的次數(shù)；

Java NIO迹冤，目的在于減少用于讀寫IO的系統(tǒng)調(diào)用的開銷讽营。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，這個模型的并不是JVM內(nèi)存使用的精確模型泡徙，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）橱鹏。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。

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自身的堪藐，而非Java程序的莉兰。普通進(jìn)程棧區(qū)，在JVM一般僅僅用做線程棧礁竞。JVM的堆區(qū)和普通進(jìn)程的差別是最大的糖荒，下面具體詳細(xì)說明：

首先是永久代。永久代本質(zhì)上是Java程序的代碼區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)苏章。Java程序中類（class）寂嘉，會被加載到整個區(qū)域的不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中去奏瞬，包括常量池、域泉孩、方法數(shù)據(jù)硼端、方法體、構(gòu)造函數(shù)寓搬、以及類中的專用方法珍昨、實例初始化、接口初始化等句喷。這個區(qū)域?qū)τ诓僮飨到y(tǒng)來說镣典，是堆的一個部分；而對于Java程序來 說唾琼，這是容納程序本身及靜態(tài)資源的空間兄春，使得JVM能夠解釋執(zhí)行Java程序。

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

普通進(jìn)程在運行時給內(nèi)存對象分配空間時芜茵，比如C++執(zhí)行new操作時，會觸發(fā)一次分配內(nèi)存空間的系統(tǒng)調(diào)用倡蝙，由操作系統(tǒng)的線程根據(jù)對象的大小分配好空間后返 回九串；同時，程序釋放對象時寺鸥，比如C++執(zhí)行delete操作時猪钮，也會觸發(fā)一次系統(tǒng)調(diào)用，通知操作系統(tǒng)對象所占用的空間已經(jīng)可以回收析既。

JVM對內(nèi)存的使用和一般進(jìn)程不同躬贡。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）；當(dāng)Java程序申請內(nèi)存空間眼坏，比如執(zhí)行new操作拂玻，JVM將在這段空間中按所需大小分配給Java程序，并且Java程序不負(fù)責(zé)通知JVM何時可以釋放這 個對象的空間宰译，垃圾對象內(nèi)存空間的回收由JVM進(jìn)行檐蚜。

JVM的內(nèi)存管理方式的優(yōu)點是顯而易見的，包括：第一沿侈，減少系統(tǒng)調(diào)用的次數(shù)闯第，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)，僅僅在 Java堆大小變化時需要向操作系統(tǒng)申請內(nèi)存或通知回收缀拭，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)用參與咳短；第二填帽，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咙好，而由JVM統(tǒng)一管理篡腌，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)勾效，未使用區(qū)是分配新內(nèi)存空間的預(yù)備區(qū)域嘹悼。對于普通進(jìn)程來說，這個區(qū)域被可用于堆和棽愎空間的申請及釋放杨伙，每次堆內(nèi)存分配都會使用這個區(qū) 域，因此大小變動頻繁萌腿；對于JVM進(jìn)程來說限匣，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)整毁菱，因此大小相對穩(wěn)定膛腐。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際的物理內(nèi)存鼎俘，只是允許進(jìn)程在這個區(qū)域申請堆或棧空間辩涝。

2.內(nèi)核內(nèi)存

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

上圖給出了Java NIO使用的內(nèi)核內(nèi)存在linux系統(tǒng)中的分布情況晕拆。nio buffer主要包括：nio使用各種channel時所使用的ByteBuffer藐翎、Java程序主動使用 ByteBuffer.allocateDirector申請分配的Buffer。

而在PageCache里面实幕，nio使用的內(nèi)存主要包 括：FileChannel.map方式打開文件占用mapped吝镣、FileChannel.transferTo和 FileChannel.transferFrom所需要的Cache（圖中標(biāo)示 nio file）。

通過JMX可以監(jiān)控到NIO Buffer和 mapped 的使用情況昆庇，如下圖所示末贾。不過，F(xiàn)ileChannel的實現(xiàn)是通過系統(tǒng)調(diào)用使用原生的PageCache整吆，過程對于Java是透明的拱撵，無法監(jiān)控到這部分內(nèi)存的使用大小辉川。

Linux和Java NIO在內(nèi)核內(nèi)存上開辟空間給程序使用，主要是減少不要的復(fù)制拴测，以減少IO操作系統(tǒng)調(diào)用的開銷乓旗。例如，將磁盤文件的數(shù)據(jù)發(fā)送網(wǎng)卡昼扛，使用普通方法和NIO時寸齐，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，而從上圖我們可以看到抄谐，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)拷貝渺鹦。這是Java NIO高性能的重要機(jī)制之一（另一個是異步非阻塞）。

從上面可以看出蛹含，內(nèi)核內(nèi)存對于Java程序性能也非常重要毅厚，因此，在劃分系統(tǒng)內(nèi)存使用時候浦箱，一定要給內(nèi)核留出一定可用空間吸耿。

三、案例分析

1.內(nèi)存分配問題

通過上面的分析酷窥，省略比較小的區(qū)域咽安，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，原來的內(nèi)存分配是：6g(java堆) ＋ 600m(監(jiān)控) ＋ 800m(系統(tǒng))蓬推，剩余大約600m內(nèi)存未分配妆棒。

現(xiàn)在分析這600m內(nèi)存的分配情況：

Linux保留大約200m，這部分是Linux正常運行的需要沸伏，

Java服務(wù)的線程數(shù)量是160個糕珊，JVM默認(rèn)的線程棧大小是1m，因此使用160m內(nèi)存毅糟，

Java NIO buffer红选，通過JMX查到最多占用了200m，

Java服務(wù)使用NIO大量讀寫文件姆另，需要使用PageCache喇肋，正如前面分析，這個暫時不好定量估算大小蜕青。

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

細(xì)心的人會發(fā)現(xiàn)右核，引言中給出兩個服務(wù)器慧脱，一個SWAP最多占用了2.16g，另外一個SWAP最多占用了871m贺喝；但是菱鸥，似乎我們的內(nèi)存缺口沒有那么大宗兼。事實上，這是由于SWAP和GC同時進(jìn)行造成的氮采，從下圖可以看到殷绍，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時間很長鹊漠，JVM嚴(yán)重卡頓主到，極端的情況下會導(dǎo)致服務(wù)崩潰。原因如下：JVM進(jìn)行GC時躯概，時需要對相應(yīng)堆分區(qū)的已用 內(nèi)存進(jìn)行遍歷登钥；假如GC的時候，有堆的一部分內(nèi)容被交換到SWAP中娶靡，遍歷到這部分的時候就需要將其交換回內(nèi)存牧牢，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中去姿锭；于是在遍歷堆分區(qū)的過程中塔鳍，(極端情況下)會把整個堆分區(qū)輪流往SWAP寫一遍。Linux對SWAP的回收是滯后的呻此，我 們就會看到大量SWAP占用轮纫。上述問題，可以通過減少堆大小焚鲜，或者增加物理內(nèi)存解決蜡感。

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

2.內(nèi)存泄漏問題

另一個案例是，8g內(nèi)存的服務(wù)器虫几，Linux使用800m锤灿，監(jiān)控進(jìn)程使用600m，堆大小設(shè)置4g辆脸；系統(tǒng)可用內(nèi)存有2.5g左右但校，但是也發(fā)生了大量的SWAP占用。

分析這個問題如下：

在這個場景中啡氢， Java永久代 状囱、Java堆(新生代和老年代)术裸、線程棧所用內(nèi)存基本是固定的，因此亭枷，占用內(nèi)存過多的原因就定位在Java NIO上袭艺。

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)叨粘。查看監(jiān)控的記錄猾编，如下圖，我們可以看到發(fā)生SWAP之前升敲，也就是 物理內(nèi)存不夠使用的時候答倡，PageCache急劇縮小。因此冻晤，可以定位在System區(qū)的Java NIO Buffer發(fā)生內(nèi)存泄漏苇羡。

由于NIO的DirectByteBuffer需要在GC的后期被回收，因此連續(xù)申請DirectByteBuffer的程序鼻弧，通常需要調(diào)用 System.gc()设江，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。分析到此攘轩，可以推斷有兩種可能的 原因：第一叉存，Java程序沒有在必要的時候調(diào)用System.gc()；第二度帮，System.gc()被禁用歼捏。

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

四率翅、總結(jié)

本文詳細(xì)分析了Linux與JVM的內(nèi)存關(guān)系练俐，比較了一般進(jìn)程與JVM進(jìn)程使用內(nèi)存的異同點，理解這些特性將對Linux系統(tǒng)內(nèi)存分配冕臭、JVM調(diào)優(yōu)腺晾、Java程序優(yōu)化有幫助。限于篇幅關(guān)系僅僅列舉兩個案例辜贵，希望起到拋磚引玉的作用悯蝉。