Java核心篇之JVM探秘：内存模型与管理初探

系列文章目录

第一章 Java核心篇之JVM探秘：内存模型与管理初探

第二章 Java核心篇之JVM探秘：对象创建与内存分配机制

第三章 Java核心篇之JVM探秘：垃圾回收算法与垃圾收集器

第四章 Java核心篇之JVM调优实战：Arthas工具使用及GC日志分析

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目录

前言

一、JVM整体结构图

二、JVM内存区域概述 

三、JVM内存参数设置

XX:PermSize 

-XX:MaxMetaspaceSize和-XX:MetaspaceSize 

三、垃圾回收（Garbage Collection）

分代收集理论：

垃圾回收算法：

四、内存溢出与内存泄漏

内存溢出：

内存泄漏：

总结

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前言

        在Java的世界里，JVM（Java Virtual Machine）扮演着至关重要的角色。它不仅提供了运行Java程序的环境，还负责管理内存，确保程序的高效和安全执行。本文将深入探讨JVM内存模型，理解其内部结构与工作原理，帮助开发者更好地优化代码，避免常见的内存问题。

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一、JVM整体结构图

二、JVM内存区域概述 

• 程序计数器（Program Counter Register）：

每个线程都有一个独立的程序计数器，用于指示当前线程所执行的字节码指令的位置。当线程被中断或恢复时，程序计数器可以帮助JVM找到上一次执行的位置。

• 虚拟机栈（Virtual Machine Stack）：

也是线程私有的，用于存储局部变量、操作数栈、动态链接和方法出口等信息。每个方法调用都会创建一个新的栈帧，方法退出后，相应的栈帧也会被销毁。

• 本地方法栈（Native Method Stack）：

与虚拟机栈类似，但用于支持本地（非Java）方法的调用。在现代JVM中，它往往与虚拟机栈合并，使用相同的实现方式。

• Java堆（Heap）：

所有线程共享的内存区域，用于存储对象实例和数组。这是垃圾收集的主要区域。Java堆是JVM管理的内存中最大的一块，它的大小可以通过参数进行配置。

• 方法区（Method Area）：

也称为“非堆”，用于存储类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据。它与Java堆一样，由所有线程共享。

• 直接内存（Direct Memory）：

不属于JVM内存的一部分，但是通过java.nio.ByteBuffer.allocateDirect()等API分配的内存。直接内存的使用需要特别注意，因为不受JVM的常规内存管理机制控制。

• 局部变量表（Local Variable Table）:

局部变量表用于存储方法参数和方法内部定义的局部变量。局部变量包括基本类型的变量、对象引用和返回地址等。

每个局部变量占据一个或多个“slot”（槽），一个slot可以存放一个32位数据类型，如int、float或对象引用；64位数据类型，如long和double，则占用两个slot。

变量的生存周期是从方法被调用开始直到方法结束，此时局部变量表的内容会被销毁。

• 操作数栈（Operand Stack）:

操作数栈是一个后进先出（LIFO）的数据结构，用于存放中间运算结果，同时也作为方法调用和返回的参数传递的场所。

当执行任何计算表达式时，操作数栈用来存放运算符的左右操作数，以及存放运算结果。

方法调用时，参数会被压入操作数栈，方法返回时，返回值会被放入操作数栈，然后传递给调用者。

• 动态链接（Dynamic Linking）:

动态链接是指将方法调用解析为方法在内存中的直接引用。在JVM中，当一个方法调用另一个方法时，它需要知道目标方法的确切位置，即其在内存中的入口点。

这个过程在运行时完成，允许方法在不同的类加载器之间动态查找和链接。

• 方法出口（Method Exit）:

方法出口指的是方法执行完毕后，如何清理现场并返回调用者的过程。这包括恢复上层方法的局部变量表和操作数栈，将返回值（如果有的话）压入调用者的操作数栈中，以及恢复方法调用之前的程序计数器值，以便继续执行调用者的方法。

三、JVM内存参数设置

Spring Boot程序的JVM参数设置格式（Tomcat启动直接加到bin目录下的catalina文件中即可）

java ‐Xms2048M ‐Xmx2048M ‐Xmn1024M ‐Xss512K ‐XX:MetaspaceSize=256M ‐XX:MaxMetaspaceSize=256M ‐jar xxx.jar

XX:PermSize 

在JDK 8之前，类的元数据（包括类信息、常量池、字段信息、方法信息等）是存储在永久代（Permanent Generation）中的。XX:PermSize 参数用于设置永久代的初始大小，而 -XX:MaxPermSize 则用于设置永久代的最大大小。如果永久代的空间不足，JVM 将会抛出 OutOfMemoryError: PermGen space 的错误。

-XX:MaxMetaspaceSize和-XX:MetaspaceSize 

从JDK 8开始，永久代被移除，类元数据被移到了一个名为“Metaspace”的本机内存区域中。这意味着类元数据的管理不再受限于堆内存的限制，而是受限于系统可用的物理内存。

• -XX:MaxMetaspaceSize：用于设置Metaspace的最大大小。默认情况下，Metaspace可以使用系统的大部分物理内存，但这可能会导致其他应用程序的内存不足。因此，在多应用服务器环境中，通常需要显式地限制Metaspace的大小。

• -XX:MetaspaceSize：用于设置Metaspace的起始大小。当Metaspace的使用量超过这个值时，JVM会尝试增加Metaspace的大小，直到达到-XX:MaxMetaspaceSize指定的上限。

三、垃圾回收（Garbage Collection）

        垃圾回收是JVM内存管理的核心机制之一。JVM通过自动检测不再被引用的对象，并回收这些对象占用的内存，从而避免了手动内存管理带来的问题，如内存泄漏和野指针。

分代收集理论：

• Java堆通常分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。新生代又细分为Eden空间和两个Survivor空间（S0和S1）。对象首先在Eden空间创建，经过几次GC后，存活的对象会被移动到Survivor空间，最终可能晋升到老年代。

垃圾回收算法：

• 包括标记-清除（Mark-Sweep）、复制（Copying）、标记-压缩（Mark-Compact）和分代收集等算法。每种算法都有其优缺点，适用于不同的场景。

四、内存溢出与内存泄漏

尽管JVM提供了自动内存管理，但在实际开发中，仍需警惕内存溢出和内存泄漏的问题。

内存溢出：

• 当JVM无法申请到足够的内存空间时，会抛出OutOfMemoryError异常。这可能是由于堆大小设置不当、内存泄露或大对象过多导致的。

内存泄漏：

• 即应用程序中存在不再使用的对象，但由于某些原因（如循环引用）它们仍然被引用，导致垃圾收集器无法回收它们，从而浪费内存资源。

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总结

        深入理解JVM内存模型对于Java开发者至关重要。它不仅有助于编写更高效的代码，还能有效预防和解决内存相关的问题。随着Java应用的复杂度不断增加，对JVM内存管理的掌握将成为开发者技能树上的重要一环。