內(nèi)存是非常重要的系統(tǒng)資源爽撒，是硬盤和 CPU 的中間倉庫及橋梁鸯乃，承載著操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)運(yùn)行辙喂。JVM 內(nèi)存布局規(guī)定了 Java 在運(yùn)行過程中內(nèi)存申請拌滋、分配泣懊、管理的策略跟畅，保證了JVM 的高效穩(wěn)定運(yùn)行棚蓄。不同的JVM 對于內(nèi)存的劃分方式和管理機(jī)制存在著部分差異哟楷。結(jié)合JVM 虛擬機(jī)規(guī)范瘤载，來探討一下經(jīng)典的JVM 內(nèi)存布局，如下圖所示
1.Heap(堆區(qū))
??Heap是OOM 故障最主要的發(fā)源地卖擅，它存儲(chǔ)著幾乎所有的實(shí)例對象鸣奔，堆由垃圾收集器自動(dòng)回收墨技，堆區(qū)由各子線程共享使用。通常情況下挎狸，它占用的空間是所有內(nèi)有區(qū)域中最大的扣汪，但如果無節(jié)制地創(chuàng)建大量對象，也容易消耗完所有的空間锨匆。堆的內(nèi)存空間既可以固定大小崭别，也可以在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)整，通過如下參數(shù)設(shè)定初始值和最大值恐锣，比如-Xms256M-Xmx1024M茅主，其中-X表示它是JVM運(yùn)行參數(shù)，ms是memorystart的簡稱土榴，mx是memory max 的簡稱诀姚，分別代表最小堆容量和最大堆容量。但是在通常情況下玷禽，服務(wù)器在運(yùn)行過程中学搜，堆空間不斷地?cái)U(kuò)容與回縮，勢必形成不必要的系統(tǒng)壓力论衍，所以在線上生產(chǎn)環(huán)境中，JVM的Xms和Xmx設(shè)置成一樣大小聚磺，避免在GC 后調(diào)整堆大小時(shí)帶來的額外壓力坯台。
??堆分成兩大塊:新生代和老年代。對象產(chǎn)生之初在新生代瘫寝，步入暮年時(shí)進(jìn)入老年代蜒蕾，但是老年代也接納在新生代無法容納的超大對象。新生代=1個(gè) Eden 區(qū) +2個(gè)Survivor 區(qū)焕阿。絕大部分對象在 Eden 區(qū)生成咪啡，當(dāng) Eden 區(qū)裝填滿的時(shí)候，會(huì)觸發(fā) Young Garbage Collection暮屡，即YGC撤摸。垃圾回收的時(shí)候，在 Eden 區(qū)實(shí)現(xiàn)清除策略褒纲，沒有被引用的對象則直接回收准夷。依然存活的對象會(huì)被移送到 Survivor 區(qū)，這個(gè)區(qū)真是名副其實(shí)的存在莺掠。Survivor 區(qū)分為 SO和 S1 兩塊內(nèi)存空間衫嵌，送到哪塊空間呢? 每次YGC的時(shí)候，它們將存活的對象復(fù)制到未使用的那塊空間彻秆，然后將當(dāng)前正在使用的空間完全清除楔绞，交換兩塊空間的使用狀態(tài)结闸。如果YGC 要移送的對象大于 Survivor 區(qū)容量的上限，則直接移交給老年代酒朵。假如一些沒有進(jìn)取心的對象以為可以一直在新生代的Survivor 區(qū)交換來交換去桦锄，那就錯(cuò)了。每個(gè)對象都有一個(gè)計(jì)數(shù)器耻讽，每次YGC都會(huì)加1察纯。-XX:MaxTenuringThreshold 參數(shù)能配置計(jì)數(shù)器的值到達(dá)某個(gè)值的時(shí)候，對象從新生代晉升至老年代针肥。如果該參數(shù)配置為 1饼记，那么從新生代的 Eden 區(qū)直接移至老年代。默認(rèn)值是 15慰枕，可以在 Survivor 區(qū)交換 14 次之后具则，晉升至老年代。與上圖 匹配的對象晉升流程圖如下圖 所示具帮。
??上圖中博肋，如果 Survivor區(qū)無法放下，或者超大對象的闕值超過上限蜂厅，則嘗試在老年代中進(jìn)行分配;如果老年代也無法放下匪凡，則會(huì)觸發(fā)Full Garbage Collection，即FGC掘猿。如果依然無法放下病游，則拋出OOM。堆內(nèi)存出現(xiàn)OOM的概率是所有內(nèi)存耗異常中最高的稠通。出錯(cuò)時(shí)的堆內(nèi)信息對解決問題非常有幫助衬衬，所以給JVM設(shè)置運(yùn)行參數(shù)XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError，讓JVM遇到OOM異常時(shí)能輸出堆內(nèi)信息特別是對相隔數(shù)月才出現(xiàn)的OOM異常尤為重要改橘。
??在不同的JVM 實(shí)現(xiàn)及不同的回收機(jī)制中滋尉，堆內(nèi)存的劃分方式是不一樣的。
2.Metaspace(元數(shù)據(jù)區(qū))
??本文章源碼解析和示例代碼基本采用JDK11版本飞主，JVM 則為 Hotspot狮惜。早在JDK8版本中，元空間的前身Perm 區(qū)已經(jīng)被淘汰碌识。在JDK7及之前的版本中讽挟，只有Hotspo才有 Perm 區(qū)，譯為永久代丸冕，它在啟動(dòng)時(shí)固定大小耽梅，很難進(jìn)行調(diào)優(yōu)，并且FGC 時(shí)會(huì)移動(dòng)類元信息胖烛。在某些場景下眼姐，如果動(dòng)態(tài)加載類過多诅迷，容易產(chǎn)生 Perm 區(qū)的OOM。比如某個(gè)實(shí)際 Web 工程中众旗，因?yàn)楣δ茳c(diǎn)比較多罢杉，在運(yùn)行過程中，要不斷動(dòng)態(tài)加載很的類贡歧，經(jīng)常出現(xiàn)致命錯(cuò)誤:
'Exception in thread dubbo client x.x connector’java.lang.OutOfMemoryError: PermGenspace"
為了解決該問題滩租，需要設(shè)定運(yùn)行參數(shù)-XX:MaxPermSize=1280m，如果部署到新機(jī)器上利朵，往往會(huì)因?yàn)镴VM 參數(shù)沒有修改導(dǎo)致故障再現(xiàn)律想。不熟悉此應(yīng)用的人排查問題時(shí)往往苦不堪言，除此之外绍弟，永久代在垃圾回收過程中還存在諸多問題技即。所以，JDK8使用元空間替換永久代樟遣。在JDK8及以上版本中而叼，設(shè)定MaxPermSize參數(shù)，JVM 在啟動(dòng)時(shí)并不會(huì)報(bào)錯(cuò)豹悬，但是會(huì)提示: Java HotSpot 64Bit Server VM waming:ignoring option MaxPermSize-2560m; support was removed in 8.0.
??區(qū)別于永久代葵陵，元空間在本地內(nèi)存中分配。在JDK8里瞻佛，Perm 區(qū)中的所有內(nèi)容中字符串常量移至堆內(nèi)存脱篙，其他內(nèi)容包括類元信息、字段涤久、靜態(tài)屬性、方法忍弛、常量等都移動(dòng)至元空間內(nèi)响迂，比如Object 類元信息、靜態(tài)屬性 System.out细疚、整常量10000000等蔗彤。在常量池中的String，其實(shí)際對象是被保存在堆內(nèi)存中的疯兼。
3.JVM Stack ( 虛擬機(jī)棧）
??棧( Stack )是一個(gè)先進(jìn)后出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),就像子彈的彈夾,最后壓入的子彈先發(fā)射壓在底部的子彈最后發(fā)射然遏，撞針只能訪問位于頂部的那一顆子彈。
??相對于基于寄存器的運(yùn)行環(huán)境來說吧彪，JVM 是基于棧結(jié)構(gòu)的運(yùn)行環(huán)境待侵。棧結(jié)構(gòu)移植性更好，可控性更強(qiáng)姨裸。JVM 中的虛擬機(jī)是描述 Java 方法執(zhí)行的內(nèi)存區(qū)域秧倾，它是線程私有的怨酝。棧中的元素用于支持虛擬機(jī)進(jìn)行方法調(diào)用，每個(gè)方法從開始調(diào)用到執(zhí)行完成的過程那先，就是棧幀從入棧到出棧的過程农猬。在活動(dòng)線程中，只有位于棧頂?shù)馁嚥攀怯行У氖鄣Q為當(dāng)前棧幀斤葱。正在執(zhí)行的方法稱為當(dāng)前方法，棧幀是方法運(yùn)行的基本結(jié)構(gòu)揖闸。在執(zhí)行引擎運(yùn)行時(shí)揍堕，所有指令都只能針對當(dāng)前棧進(jìn)行操作。而 StackOverflowError表示請求的棧溢出楔壤，導(dǎo)致內(nèi)存耗盡鹤啡，通常出現(xiàn)在遞歸方法中。JVM 能夠橫掃千軍蹲嚣，慮擬機(jī)棧就是它的心腹大將递瑰，當(dāng)前方法的棧幀，都是正在戰(zhàn)斗的戰(zhàn)場隙畜，其中的操作棧是參與戰(zhàn)斗的士兵抖部。操作棧的壓棧與出棧如下圖所示。
??虛擬機(jī)棧通過壓棧和出棧的方式议惰，對每個(gè)方法對應(yīng)的活動(dòng)棧幀進(jìn)行運(yùn)算處理慎颗，方法正常執(zhí)行結(jié)束，肯定會(huì)跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)棧幀上言询。在執(zhí)行的過程中俯萎，如果出現(xiàn)異常，進(jìn)行異吃撕迹回溯夫啊，返回地址通過異常處理表確定。棧幀在整個(gè)JVM 體系中的地位頗高包括局部變量表辆憔、操作棧撇眯、動(dòng)態(tài)連接、方法返回地址等虱咧。
- 局部變量表
??局部變量表是存放方法參數(shù)和局部變量的區(qū)域熊榛。相對于類屬性變量的準(zhǔn)備階段和初始化階段來說，局部變量沒有準(zhǔn)備階段腕巡，必須顯式初始化玄坦。如果是非靜態(tài)方法，在index[0]位置上存儲(chǔ)的是方法所屬對象的實(shí)例引用绘沉，隨后存儲(chǔ)的是參數(shù)和局部變量营搅。字節(jié)碼指令中的 STORE 指令就是將操作棧中計(jì)算完成的局部變量寫回局部變量表存儲(chǔ)空間內(nèi)云挟。 - 操作棧
??操作棧是一個(gè)初始狀態(tài)為空的桶式結(jié)構(gòu)棧。在方法執(zhí)行過程中转质，會(huì)有各種指令往棧中寫入和提取信息园欣。JVM 的執(zhí)行引擎是基于棧的執(zhí)行引擎，其中的棧指的就是操作棧休蟹。字節(jié)碼指令集的定義都是基于棧類型的沸枯，棧的深度在方法元信息的 stack屬性中下面用一段簡單的代碼說明操作棧與局部變量表的交互:
public int simpleMethod() {
int x = 13;
int y = 14;
int z = x + y;
return z;
}
詳細(xì)的字節(jié)碼操作順序如下(Intellij IDEA 中查看字節(jié)碼 View -> Show bytecode)：
// access flags 0x1
public simpleMethod()I
L0
LINENUMBER 25 L0
BIPUSH 13 // 常量13壓入操作棧
ISTORE 1 // 并保存到局部凌量表的 slot 1中 (第1處)
L1
LINENUMBER 26 L1
BIPUSH 14 //常量14壓入操作找，注意是BIPUSH
ISTORE 2 //并保存到局部變量表的sIot 2中
L2
LINENUMBER 27 L2
ILOAD 1 //把局部變量表的 slot 1尤素 (int x)壓入操作棧
ILOAD 2 // 把局部變量表的 slot 2 元素 (int y)壓入操作棧
IADD //把上方的兩個(gè)數(shù)都取出來赂弓，在 CPU 里加一下绑榴，并壓回操作棧的棧頂
ISTORE 3 //把棧頂?shù)慕Y(jié)果存儲(chǔ)到局部變量表的 slot 3 中
L3
LINENUMBER 28 L3
ILOAD 3
IRETURN //返回棧頂元素值
L4
LOCALVARIABLE this Lcom/linkmiao/iot/demo/test/d202311/TestWhoLoad; L0 L4 0
LOCALVARIABLE x I L1 L4 1
LOCALVARIABLE y I L2 L4 2
LOCALVARIABLE z I L3 L4 3
MAXSTACK = 2 // // 最大 深度為 2，局部變量個(gè)數(shù)為4
MAXLOCALS = 4
第1處說明:局部變量表就像一個(gè)中藥柜盈魁，里面有很多抽展翔怎，依次編號為 0，1杨耙，2.3赤套，·，n珊膜，字節(jié)碼指令I(lǐng)STORE1就是打開1號抽屜容握，把棧頂中的數(shù)13存進(jìn)去。棧是一個(gè)很深的豎桶车柠，任何時(shí)候只能對桶口元素進(jìn)行操作剔氏，所以數(shù)據(jù)只能在棧頂進(jìn)行存取。某些指令可以直接在抽屜里進(jìn)行竹祷，比如 iinc 指令谈跛，直接對抽屜里的數(shù)值進(jìn)行 +1操作。
- 動(dòng)態(tài)連接
每個(gè)棧幀中包含一個(gè)在常量池中對當(dāng)前方法的引用塑陵，目的是支持方法調(diào)用過程的動(dòng)態(tài)連接感憾。 - 方法返回地址
方法執(zhí)行時(shí)有兩種退出情況:第一，正常退出猿妈，即正常執(zhí)行到任何方法的返回字節(jié)碼指令吹菱，如RETURN巍虫、IRETURN彭则、ARETURN等:第二，異常退出占遥。無論何種退出情況俯抖，都將返回至方法當(dāng)前被調(diào)用的位置。方法退出的過程相當(dāng)于彈出當(dāng)前棧幀瓦胎，退出可能有三種方式
- 返回值壓入上層調(diào)用棧幀芬萍。
- 異常信息拋給能夠處理的棧幀尤揣。
- PC計(jì)數(shù)器指向方法調(diào)用后的下一條指令。
4.Native Method Slacks(本地方法棧)
??本地方法棧(Native Method Stack)在JVM 內(nèi)存布局中柬祠，也是線程對象私有的,但是虛擬機(jī)棻毕罚“主內(nèi)”，而本地方法椔祝“主外”嗜愈。這個(gè)“內(nèi)外”是針對JVM 來說的,本地方法棧為 Native方法服務(wù)。線程開始調(diào)用本地方法時(shí)莽龟，會(huì)進(jìn)入一個(gè)不再受JVM約束的世界蠕嫁。本地方法可以通過JNI (Java Native Interface)來訪問虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)區(qū)，甚至可以調(diào)用寄存器毯盈，具有和JVM相同的能力和權(quán)限剃毒。當(dāng)大量本地方法現(xiàn)時(shí)，勢必會(huì)削弱JVM 對系統(tǒng)的控制力搂赋，因?yàn)樗某鲥e(cuò)信息都比較黑盒赘阀。對于內(nèi)有不足的情況，本地方法棧還是會(huì)拋出native heap OutOfMemory厂镇。
??重點(diǎn)說一下JNI類本地方法纤壁，最著名的本地方法應(yīng)該是Systen.currentTimeMillis()，JNI使 Java 深度使用操作系統(tǒng)的特性功能捺信，復(fù)用非 Java代碼酌媒。但是在項(xiàng)自過程中，如果大量使用其他語言來實(shí)現(xiàn)JNI迄靠，就會(huì)喪失跨平臺(tái)特性秒咨，威脅到程序運(yùn)行的穩(wěn)定性。假如需要與本地代碼交互掌挚，就可以用中間標(biāo)準(zhǔn)框架進(jìn)行解耦.這樣即使本地方法崩潰也不至于影響到JVM的穩(wěn)定雨席。當(dāng)然，如果要求極高的執(zhí)行效率偏底層的跨進(jìn)程操作等吠式，可以考慮設(shè)計(jì)為JNI調(diào)用方式陡厘。
5.Program Counter Register ( 程序計(jì)數(shù)寄存器）
??在程序計(jì)數(shù)寄存器(Program Counter Register，PC)中特占，Register 的命名源于CPU的寄存器糙置，CPU只有把數(shù)據(jù)裝載到寄存器才能夠運(yùn)行。寄存器存儲(chǔ)指令相關(guān)的現(xiàn)場信息是目，由于CPU時(shí)間片輪限制谤饭，眾多線程在并發(fā)執(zhí)行過程中，任何一個(gè)確定的時(shí)刻，一個(gè)處理器或者多核處理器中的一個(gè)內(nèi)核揉抵，只會(huì)執(zhí)行某個(gè)線程中的一條指令亡容。這樣必然導(dǎo)致經(jīng)常中斷或恢復(fù)，如何保證分毫無差呢?每個(gè)線程在創(chuàng)建后冤今，都會(huì)產(chǎn)生自己的程序計(jì)數(shù)器和棧幀闺兢，程序計(jì)數(shù)器用來存放執(zhí)行指令的偏移量和行號指示器等，線程執(zhí)行或恢復(fù)都要依賴程序計(jì)數(shù)器戏罢。程序計(jì)數(shù)器在各個(gè)線程之間互不影響列敲，此區(qū)域也不會(huì)發(fā)生內(nèi)存溢出異常。
??最后帖汞，從線程共享的角度來看戴而，堆和元空間是所有線程共享的，而虛擬機(jī)棧翩蘸、本地方法棧所意、程序計(jì)數(shù)器是線程內(nèi)部私有的，從這個(gè)角度看一下Java內(nèi)存結(jié)構(gòu),如下圖所示催首。
