題目
- JVM的內(nèi)存區(qū)域是怎么劃分的？
- OOM可能發(fā)生在哪些區(qū)域上刺啦？
- 堆內(nèi)存結(jié)構(gòu)是怎么樣的留特？
- 常用的性能監(jiān)控與問題定位工具有哪些？
1.JVM的內(nèi)存區(qū)域是怎么劃分的玛瘸？
JVM的內(nèi)存劃分中蜕青，有部分區(qū)域是線程私有的，有部分是屬于整個(gè)JVM進(jìn)程糊渊；有些區(qū)域會(huì)拋出OOM異常右核，有些則不會(huì)，了解JVM的內(nèi)存區(qū)域劃分以及特征渺绒，是定位線上內(nèi)存問題的基礎(chǔ)贺喝。那么JVM內(nèi)存區(qū)域是怎么劃分的呢菱鸥？
首先是程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register)，在JVM規(guī)范中躏鱼，每個(gè)線程都有自己的程序計(jì)數(shù)器氮采。這是一塊比較小的內(nèi)存空間，存儲(chǔ)當(dāng)前線程正在執(zhí)行的Java方法的JVM指令地址挠他，即字節(jié)碼的行號(hào)扳抽。如果正在執(zhí)行Native方法，則這個(gè)計(jì)數(shù)器為空殖侵。該內(nèi)存區(qū)域是唯一一個(gè)在Java虛擬機(jī)規(guī)范中沒有規(guī)定任何OOM情況的內(nèi)存區(qū)域。
第二镰烧，Java虛擬機(jī)棧(Java Virtal Machine Stack)拢军，同樣也是屬于線程私有區(qū)域，每個(gè)線程在創(chuàng)建的時(shí)候都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)虛擬機(jī)棧怔鳖，生命周期與線程一致茉唉，線程退出時(shí)，線程的虛擬機(jī)棧也回收结执。虛擬機(jī)棧內(nèi)部保持一個(gè)個(gè)的棧幀度陆，每次方法調(diào)用都會(huì)進(jìn)行壓棧，JVM對(duì)棧幀的操作只有出棧和壓棧兩種献幔，方法調(diào)用結(jié)束時(shí)會(huì)進(jìn)行出棧操作懂傀。
該區(qū)域存儲(chǔ)著局部變量表，編譯時(shí)期可知的各種基本類型數(shù)據(jù)蜡感、對(duì)象引用蹬蚁、方法出口等信息。
第三郑兴，本地方法棧（Native Method Stack）與虛擬機(jī)棧類似犀斋，本地方法棧是在調(diào)用本地方法時(shí)使用的棧，每個(gè)線程都有一個(gè)本地方法棧情连。
第四叽粹，堆（Heap）,幾乎所有創(chuàng)建的Java對(duì)象實(shí)例，都是被直接分配到堆上的却舀。堆被所有的線程所共享虫几，在堆上的區(qū)域，會(huì)被垃圾回收器做進(jìn)一步劃分禁筏，例如新生代持钉、老年代的劃分。Java虛擬機(jī)在啟動(dòng)的時(shí)候篱昔，可以使用“Xmx”之類的參數(shù)指定堆區(qū)域的大小每强。
第五始腾，方法區(qū)（Method Area)。方法區(qū)與堆一樣空执，也是所有的線程所共享浪箭，存儲(chǔ)被虛擬機(jī)加載的元（Meta）數(shù)據(jù)，包括類信息辨绊、常量奶栖、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)门坷。這里需要注意的是運(yùn)行時(shí)常量池也在方法區(qū)中宣鄙。根據(jù)Java虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定，當(dāng)方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時(shí)默蚌，將拋出OutOfMemoryError異常冻晤。由于早期HotSpot JVM的實(shí)現(xiàn)，將CG分代收集拓展到了方法區(qū)绸吸，因此很多人會(huì)將方法區(qū)稱為永久代鼻弧。Oracle JDK8中已永久代移除永久代，同時(shí)增加了元數(shù)據(jù)區(qū)（Metaspace）锦茁。
第六攘轩，運(yùn)行時(shí)常量池（Run-Time Constant Pool)，這是方法區(qū)的一部分码俩，受到方法區(qū)內(nèi)存的限制度帮，當(dāng)常量池?zé)o法再申請(qǐng)到內(nèi)存時(shí)，會(huì)拋出OutOfMemoryError異常握玛。
在Class文件中够傍，除了有類的版本、方法挠铲、字段冕屯、接口等描述信息外，還有一項(xiàng)信息是常量池拂苹。每個(gè)Class文件的頭四個(gè)字節(jié)稱為Magic Number安聘，它的作用是確定這是否是一個(gè)可以被虛擬機(jī)接受的文件；接著的四個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)的是Class文件的版本號(hào)瓢棒。緊挨著版本號(hào)之后的浴韭，就是常量池入口了。常量池主要存放兩大類常量：
字面量（Literal）脯宿，如文本字符串念颈、final常量值
符號(hào)引用，存放了與編譯相關(guān)的一些常量连霉，因?yàn)镴ava不像C++那樣有連接的過程榴芳，因此字段方法這些符號(hào)引用在運(yùn)行期就需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換嗡靡，以便得到真正的內(nèi)存入口地址。
class文件中的常量池窟感，也稱為靜態(tài)常量池讨彼，JVM虛擬機(jī)完成類裝載操作后，會(huì)把靜態(tài)常量池加載到內(nèi)存中柿祈，存放在運(yùn)行時(shí)常量池哈误。
第七，直接內(nèi)存（Direct Memory）躏嚎，直接內(nèi)存并不屬于Java規(guī)范規(guī)定的屬于Java虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的一部分蜜自。Java的NIO可以使用Native方法直接在java堆外分配內(nèi)存，使用DirectByteBuffer對(duì)象作為這個(gè)堆外內(nèi)存的引用卢佣。
下面這張圖袁辈，反映了運(yùn)行中的Java進(jìn)程內(nèi)存占用情況：
2.OOM可能發(fā)生在哪些區(qū)域上？
根據(jù)javadoc的描述珠漂，OOM是指JVM的內(nèi)存不夠用了，同時(shí)垃圾收集器也無法提供更多的內(nèi)存尾膊。從描述中可以看出媳危，在JVM拋出OutOfMemoryError之前，垃圾收集器一般會(huì)出馬先嘗試回收內(nèi)存冈敛。
從上面分析的Java數(shù)據(jù)區(qū)來看待笑，除了程序計(jì)數(shù)器不會(huì)發(fā)生OOM外，哪些區(qū)域會(huì)發(fā)生OOM的情況呢抓谴？
第一暮蹂，堆內(nèi)存。堆內(nèi)存不足是最常見的發(fā)送OOM的原因之一癌压，如果在堆中沒有內(nèi)存完成對(duì)象實(shí)例的分配仰泻，并且堆無法再擴(kuò)展時(shí)，將拋出OutOfMemoryError異常滩届。當(dāng)前主流的JVM可以通過-Xmx和-Xms來控制堆內(nèi)存的大小集侯，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帜消。
第二棠枉，Java虛擬機(jī)棧和本地方法棧，這兩個(gè)區(qū)域的區(qū)別不過是虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行Java方法服務(wù)泡挺，而本地方法棧則為虛擬機(jī)使用到的Native方法服務(wù)辈讶，在內(nèi)存分配異常上是相同的。在JVM規(guī)范中娄猫，對(duì)Java虛擬機(jī)棧規(guī)定了兩種異常：1.如果線程請(qǐng)求的棧大于所分配的棧大小贱除，則拋出StackOverFlowError錯(cuò)誤生闲，比如進(jìn)行了一個(gè)不會(huì)停止的遞歸調(diào)用；2. 如果虛擬機(jī)棧是可以動(dòng)態(tài)拓展的勘伺，拓展時(shí)無法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存跪腹，則拋出OutOfMemoryError錯(cuò)誤。
第三飞醉，直接內(nèi)存冲茸。直接內(nèi)存雖然不是虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，但既然是內(nèi)存缅帘，就會(huì)受到物理內(nèi)存的限制轴术。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，但直接內(nèi)存不足時(shí)钦无，也會(huì)導(dǎo)致OOM逗栽。
第四，方法區(qū)失暂。隨著Metaspace元數(shù)據(jù)區(qū)的引入彼宠，方法區(qū)的OOM錯(cuò)誤信息也變成了“java.lang.OutOfMemoryError:Metaspace”。對(duì)于舊版本的Oracle JDK弟塞，由于永久代的大小有限凭峡，而JVM對(duì)永久代的垃圾回收并不積極，如果往永久代不斷寫入數(shù)據(jù)决记，例如String.Intern()的調(diào)用摧冀，在永久代占用太多空間導(dǎo)致內(nèi)存不足，也會(huì)出現(xiàn)OOM的問題系宫，對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤信為“java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space”
3.堆內(nèi)存結(jié)構(gòu)是怎么樣的索昂？
可以借助一些工具來了解JVM的內(nèi)存內(nèi)容，具體到特定的內(nèi)存區(qū)域扩借，應(yīng)該用什么工具去定位呢椒惨？
- 圖形化工具。圖形化工具的優(yōu)點(diǎn)是直觀往枷，連接到Java進(jìn)程后框产，可以顯示堆內(nèi)存、堆外內(nèi)存的使用情況错洁，類似的工具有JConsole,VisualVm等秉宿。
- 命令行工具。這類工具可以在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行查詢屯碴，包括jstat描睦，jmap等，可以對(duì)堆內(nèi)存导而、方法區(qū)等進(jìn)行查看忱叭。定位線上問題時(shí)也多會(huì)使用這些工具隔崎。jmap也可以生成堆轉(zhuǎn)儲(chǔ)文件（Heap Dump）文件，如果是在linux上韵丑，可以將堆轉(zhuǎn)儲(chǔ)文件拉到本地來爵卒，使用Eclipse MAT進(jìn)行分析，也可以使用jhap進(jìn)行分析撵彻。
關(guān)于內(nèi)存的監(jiān)控與診斷钓株，在后面會(huì)進(jìn)行深入了解。現(xiàn)在來看下一個(gè)問題：堆內(nèi)的結(jié)構(gòu)是怎么的呢陌僵？
站在垃圾收集器的角度來看轴合，可以把內(nèi)存分為新生代與老年代。內(nèi)存的分配規(guī)則取決于當(dāng)前使用的是哪種垃圾收集器的組合碗短，以及內(nèi)存相關(guān)的參數(shù)配置受葛。往大的方向說，對(duì)象優(yōu)先分配在新生代的Eden區(qū)域偎谁，而大對(duì)象直接進(jìn)入老年代总滩。
第一, 新生代的Eden區(qū)域，對(duì)象優(yōu)先分配在該區(qū)域巡雨，同時(shí)JVM可以為每個(gè)線程分配一個(gè)私有的緩存區(qū)域咳秉，稱為TLAB（Thread Local Allocation Buffer），避免多線程同時(shí)分配內(nèi)存時(shí)需要使用加鎖等機(jī)制而影響分配速度鸯隅。TLAB在堆上分配，位于Eden中向挖。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)上來說蝌以，TLAB的管理是依靠三個(gè)指針：start、end何之、top跟畅。start與end標(biāo)記了Eden中被該TLAB管理的區(qū)域，該區(qū)域不會(huì)被其他線程分配內(nèi)存所使用溶推，top是分配指針徊件，開始時(shí)指向start的位置，隨著內(nèi)存分配的進(jìn)行蒜危，慢慢向end靠近虱痕，當(dāng)撞上end時(shí)觸發(fā)TLAB refill。因此內(nèi)存中Eden的結(jié)構(gòu)大體為：
第二辐赞、新生代的Survivor區(qū)域部翘。當(dāng)Eden區(qū)域內(nèi)存不足時(shí)會(huì)觸發(fā)Minor GC，也稱為新生代GC响委，在Minor GC存活下來的對(duì)象新思，會(huì)被復(fù)制到Survivor區(qū)域中窖梁。我認(rèn)為Survivor區(qū)的作用在于避免過早觸發(fā)Full GC。如果沒有Survivor夹囚，Eden區(qū)每進(jìn)行一次Minor GC都把對(duì)象直接送到老年代纵刘，老年代很快便會(huì)內(nèi)存不足引發(fā)Full GC。新生代中有兩個(gè)Survivor區(qū)荸哟，我認(rèn)為兩個(gè)Survivor的作用在于提高性能假哎，避免內(nèi)存碎片的出現(xiàn)。在任何時(shí)候敲茄，總有一個(gè)Survivor是empty的位谋，在發(fā)生Minor GC時(shí)，會(huì)將Eden及另一個(gè)的Survivor的存活對(duì)象拷貝到該empty Survivor中堰燎，從而避免內(nèi)存碎片的產(chǎn)生掏父。新生代的內(nèi)存結(jié)構(gòu)大體為：
第三、老年代秆剪。老年代放置長生命周期的對(duì)象赊淑，通常是從Survivor區(qū)域拷貝過來的對(duì)象，不過當(dāng)對(duì)象過大的時(shí)候仅讽，無法在新生代中用連續(xù)內(nèi)存的存放陶缺，那么這個(gè)大對(duì)象就會(huì)被直接分配在老年代上。一般來說洁灵，普通的對(duì)象都是分配在TLAB上饱岸，較大的對(duì)象，直接分配在Eden區(qū)上的其他內(nèi)存區(qū)域徽千，而過大的對(duì)象苫费，直接分配在老年代上。
第四双抽、永久代百框。如前面所說，在早起的Hotspot JVM中有老年代的概念牍汹，老年代用于存儲(chǔ)Java類的元數(shù)據(jù)铐维、常量池、Intern字符串等慎菲。在JDK8之后嫁蛇，就將老年代移除，而引入元數(shù)據(jù)區(qū)的概念露该。
第五棠众、Vritual空間。前面說過，可以使用Xms與Xmx來指定堆的最小與最大空間闸拿。如果Xms小于Xmx空盼，堆的大小不會(huì)直接擴(kuò)展到上限，而是留著一部分等待內(nèi)存需求不斷增長時(shí)新荤，再分配給新生代揽趾。Vritual空間便是這部分保留的內(nèi)存區(qū)域。
那么綜上所述苛骨，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)篱瞎，可以來指定上述的堆內(nèi)存區(qū)域的大小：
- -Xmx value 指定最大的堆大小
- -Xms value 指定初始的最小堆大小
- -XX:NewSize = value 指定新生代的大小
- -XX：NewRatio = value 老年代與新生代的大小比例痒芝。默認(rèn)情況下俐筋，這個(gè)比例是2，也就是說老年代是新生代的2倍大严衬。老年代過大的時(shí)候澄者，F(xiàn)ull GC的時(shí)間會(huì)很長；老年代過小请琳，則很容易觸發(fā)Full GC粱挡，F(xiàn)ull GC頻率過高，這就是這個(gè)參數(shù)會(huì)造成的影響俄精。
- -XX：SurvivorRation = value . 設(shè)置Eden與Srivivor的大小比例询筏，如果該值為8，代表一個(gè)Survivor是Eden的1/8竖慧，是整個(gè)新生代的1/10嫌套。
4.常用的性能監(jiān)控與問題定位工具有哪些？
在系統(tǒng)的性能分析中圾旨，CPU灌危、內(nèi)存與IO是主要的關(guān)注項(xiàng)。很多時(shí)候服務(wù)出現(xiàn)問題碳胳，在這三者上會(huì)體現(xiàn)出現(xiàn)，比如CPU飆升沫勿，內(nèi)存不足發(fā)生OOM等挨约，這時(shí)候需要使用對(duì)應(yīng)的工具，來對(duì)性能進(jìn)行監(jiān)控产雹，對(duì)問題進(jìn)行定位诫惭。
對(duì)于CPU的監(jiān)控，首先可以使用top命令來進(jìn)行查看蔓挖，下面是使用top查看負(fù)載的一個(gè)截圖：
load average 代表1分鐘夕土、5分鐘、15分鐘的系統(tǒng)平均負(fù)載，從這三個(gè)數(shù)字怨绣，可以判斷系統(tǒng)負(fù)荷是大還是小角溃。當(dāng)CPU完全空閑的時(shí)候，平均負(fù)荷為0篮撑；當(dāng)CPU工作量飽和的時(shí)候减细，平均負(fù)荷為1。因此 load average 這三個(gè)數(shù)值越低赢笨，代表系統(tǒng)負(fù)荷越小未蝌，那么什么時(shí)候能看出系統(tǒng)負(fù)荷比較重呢？這篇文章（Understanding Linux CPU Load – when should you be worried）里解釋得非常通俗茧妒。如果電腦里只有一個(gè)CPU萧吠，把CPU看成一條單行橋，橋上只有一個(gè)車道桐筏，所有的車都必須從這個(gè)橋上通過纸型。那么
系統(tǒng)負(fù)荷為0，代表橋上一輛車也沒有
系統(tǒng)負(fù)荷0.5九昧，意味著橋上一半路段上有車
系統(tǒng)負(fù)荷1绊袋，意味著橋上道路已經(jīng)被車占滿
系統(tǒng)負(fù)荷1.7，代表著在橋上車子已經(jīng)滿了（100%）铸鹰，同時(shí)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(gè)值機(jī)器的load average非常低癌别。如果這三個(gè)值非常高，比如超過了50%或60%蹋笼，就應(yīng)當(dāng)引起注意展姐。從時(shí)間維度上來說，如果發(fā)現(xiàn)CPU負(fù)荷慢慢升高剖毯，也需要警惕圾笨。
其他的內(nèi)存、CPU等性能監(jiān)控工具的使用逊谋，以一張腦圖來展示：
具體的使用方式可以參考從一次線上故障思考Java問題定位思路擂达。
轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)方志朋
