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JVM 内存模型

news 2025/7/7 11:56:59

JVM 内存模型

对于 Java 程序员来说,在虚拟机自动内存管理机制下,不再需要像 C/C++程序开发程序员这样为每一个 new 操作去写对应的 delete/free 操作,不容易出现内存泄漏和内存溢出问题。正是因为 Java程序把内存控制权利交给 JVM 虚拟机。一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题,如果不了解虚拟机是怎样使用内存的,那么排查错误将会是一个非常艰巨的任务。

JVM 虚拟机在执行 Java 程序的过程中,会把它管理的内存划分成若干个不同的区域,每个区域有各自的不同的用途、创建方式及管理方式。有些区域随着虚拟机的启动一直存在,有些区域则随着用户线程的启动和结束而建立和销毁,这些共同组成了 Java 虚拟机的运行时数据区域,也被称为 JVM 内存模型。

运行时数据区域划分

JVM 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它管理的内存划分成若干个不同的数据区域。由方法区、堆区、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器五部分组成

版本的差异:
JDK 1.8 之前分为:线程共享(Heap 堆区、Method Area 方法区)、线程私有(虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器)
JDK 1.8 以后分为:线程共享(Heap 堆区、MetaSpace 元空间)、线程私有(虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器)

其中虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器是线程私有的区域,所以随着线程消亡而结束。而线程共享的Heap 堆区、MetaSpace 元空间会随着虚拟机的启动,一直存在。

程序计数器(Program Counter Regist ...

        程序计数器是一块较小的内存空间,是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

        字节码解释器在解释执行字节码文件工作时,每当需要执行一条字节码指令时,就通过改变程序计数器的值来完成。程序中的分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等功能都需要依赖这个计数器来完成。
        程序执行过程中,会不断的切换当前执行线程,切换后,为了能让当前线程恢复到正确的执行位置,每条线程都需要有一个独立的程序计数器,并且各线程之间计数器互不影响,独立存储。

Java虚拟机栈(VM Stack)

虚拟机栈是线程执行 Java 程序时,处理 Java 方法中内容的内存区域。虚拟机栈也是线程私有的区域,每个Java 方法被调用的时候,都会在虚拟机栈中创建出一个栈帧,而每个栈帧又由局部变量表、操作数栈、动态链接和方法返回四部分组成,有些虚拟机的栈帧还包括了一些附加信息。

JMM 内存区域可以粗略的区分为堆内存(Heap)和栈内存(Stack)。其中栈就是VM Stack 虚拟机栈,或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。
局部变量表主要存放了编译期可知的各种基本数据类型变量值(boolean、byte、char、short、int 、float、long 、double)、对象引用 (reference 类型,它不同于对象本身,可能是一个指向对象起始地址的引用指针,也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置)。

虚拟机栈运行原理
每一次方法调用都会有一个对应的栈帧被压入 VM Stack 虚拟机栈,每一个方法调用结束后,代表该方法的栈帧会从 VM Stack 虚拟机栈中弹出。
虚拟机栈是线程的私有区域,并且栈帧不允许被其他线程访问,所以不存在线程安全问题,栈帧弹出后就内存就会被系统回收,所以不也存在垃圾回收问题。

在活动线程中,只有位于栈顶的帧才是有效的,称为当前活动栈帧,代表正
在执行的当前方法。
在 JVM 执行引擎运行时,所有指令都只能针对当前活动栈帧进行操作。虚拟
机栈通过 pop和 push 的方式,对每个方法对应的活动栈帧进行运算处理,方
法正常执行结束,肯定会跳转到另一个栈帧上。

活动栈帧被弹出的方式:
        Java 方法有两种返回方式,不管哪种返回方式都会导致当前活动栈帧被弹出

                return 语句
                抛出异常

虚拟机栈可能产生的错误:
  Java 虚拟机栈会出现两种错误:StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError.

StackOverFlowError:当线程请求栈的深度超过 JVM虚拟机栈的最大深度的时候,就抛出 StackOverFlowError 错误。
OutOfMemoryError: JVM 的内存大小可以动态扩展,如果虚拟机在动态扩展栈时无法申请到足够的内存空间,则抛出 OutOfMemoryError 异常。

虚拟机栈的大小
        虚拟栈的大小可以通过 -Xss 参数设置,默认单位是byte,也可以使用k,m,g作为单位(不区分大小写)。例如: -Xss 1m
        在不同操作系统下的-Xss 默认值不同
        Linux : 1024k

        MacOs : 1024k

        Windows:默认值依赖于虚拟机的内存

本地方法栈(Native Method Stack)

本地方法栈用于虚拟机调用的 Native 方法

native 关键字修饰的本地方法被执行的时候,在本地方法栈中也会创建一个栈帧,用于存放该 native 本地方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息。方法执行完毕后,相应的栈帧也会出栈并释放内存空间。也会出现 StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 两种错误。

堆(Heap)

Heap 堆区,用于存放对象实例和数组的内存区域。
Heap 堆区,是JVM 所管理的内存中最大的一块区域,被所有线程共享的一块内存区域。堆区中存放对象实例,“几乎”所有的对象实例以及数组都在这里分配内存。

        每一个 JVM进程只存在一个堆区,它在 JVM启动时被创建,JVM 规范中规定堆区可以是物理上不连续的内存,但必须是逻辑上连续的内存。
        1. 堆区是线程共享共享的区域,同时也是JVM 管理最大的内存区域。
        2. JVM 规范中描述,所有的对象实例及数组都应该在运行时分配在堆上。而他们的引用会被保存在虚拟机栈中,当方法结束,这些实例不会被立即清除,而是等待 GC 垃圾回收。
        3. 由于堆占用内存大,所以是GC 垃圾回收的重点区域,因此堆区也被称作GC 堆(Garbage Collected Heap)。

对象逃逸分析
Java 世界中“几乎”所有的对象都在堆中分配,但是,随着 JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟,栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化,所有的对象都分配到堆上也渐渐变得不那么“绝对”了。
从 JDK 1.7 开始已经默认开启逃逸分析,如果某些方法中的对象引用没有被返回或者未被外面使用(也就是未逃逸出去),那么对象可以直接在栈上分配内存。

堆区的组成:新生代+老年代

从垃圾回收的角度,由于现在收集器基本都采用分代垃圾收集思想,所以 JVM 中的堆区往往进行分代划分,例如:新生代和老年代。目的是更好地回收内存,或者更快地分配内存。

        堆区的组成分为新生代(Young Generation)、老年代(Old Generation)。新生代被分为伊甸区(Eden)和幸存者区( from+to),幸存区又被分为 Survivor 0(from)和 Survivor 1(to)。
        新生代和老年代比例为 1:2,伊甸区和 S0、S1 比例为 8:1:1,不同区域存放对象的用途和方式不同:
        1. 伊甸区(Eden):存放大部分新创建对象。
        2. 幸存区(Survivor):存放 Minor GC 之后,Eden 区和幸存区(Survivor)本身没有被回收的对象。
        3. 老年代:存放 Minor GC 之后且年龄计数器达到15 依然存活的对象、Major GC 和 Full GC 之后仍然存活的对象。

堆空间的大小设置

堆区的内存大小是可修改的,默认情况下,初始堆内存为物理内存的1/64,最大为物理内存的 1/4。

-Xms : 设置初始堆内存,例如: -Xms64m
- Xmx : 设置最大堆内存,例如: -Xmx64m
-Xmn : 设置新生代内存,例如: -Xmn32m

Heap 堆区中的新生代、老年代的空间分配比例,可以通过 java -XX:+PrintFlagsFinal -version 命令查看:

上述输出结果结果分析

InitialSurvivorRatio = 8

新生代 Young(Eden/Survivor) 空间的初始比例=8:代表 Eden 占新生代空间的 80%;

uintx NewRatio = 2

老年代 0ld/新生代 Young 的空间比例=2:代表老年代 01d 是新生代 Young的2倍

因为新生代是由 Eden + s0 + s1 组成的,所以按照上述默认比例,如果 Eden 区内存大小是 40M,那么两个 Survivor 区就是 5M,整个新生代区就是 50M,然后可以算出老年代 Old 区内存大小是100M,堆区总大小就是150M。

创建对象的内存分配

        创建一个新对象,在堆中的分配内存。
        大部分情况下,对象会在 Eden 区生成,当 Eden 区装填满的时候,会触发 Young Garbage Collection, 即 YGC 垃圾回收的时候,在 Eden 区实现清除策略,没有被引用的对象则直接回收。
        依然存活的对象会被移送到 Survivor 区。Survivor 区分为 s0 和 s1两块内存区域。每次 YGC 的时候,它们将存活的对象复制到未使用的 Survivor 空间(s0或 s1),然后将当前正在使用的空间完全清除,交换两块空间的使用状态。每次交换时,对象的年龄会加+1。
        如果 YGC 要移送的对象大于 Survivor 区容量的上限,则直接移交给老年代。一个对象也不可能永远呆在新生代,在 JVM 中一个对象从新生代晋升到老年代的阈值默认值是 15,可以在 Survivor 区交换14次之后,晋升至老年代。

堆区的分代垃圾收集思想

        出于效率的缘故,JVM 的垃圾收集不会对三个区域(伊甸区、幸存区、老年代)进行收集,大部分时候都是回收新生代,HotSpot 虚拟机将垃圾收集分为部分收集(Partial GC)和整堆收集(Full GC)。
部分收集:
        1. 新生代收集 YGC(Minor GC/Young GC):回收新生代区域,频率比较高,因为大部分对象的存活寿命较短,在新生代里被回收。性能耗费较小。例如: Serial、ParNew、ParallelScavenge 等垃圾收集器都是新生代收集;
        2. 老年代收集 O1d GC(Major GC/Old GC):回收老年代区域,例如: Serial 0ld 、 CMS、 Parallel Old 等垃圾收集器都老年代收集;
        3. 混合收集(Mixed GC):收集整个年轻代区域及部分老年代区域,目前只有G1 收集器有

整堆收集 FGC(Full GC):

        回收整个 Java 堆区,默认堆空间使用到达 80%(可调整)的时候会触发 FGC。以我们官网的生产环境为例,一般比较少会触发 FGC,有时 10 天或一周左右会有一次。
        GC 组合垃圾回收只有 YGC和 FullGC,01dGC 不可以单执行。原因是01dGC 是STW 机制+标记整理算法,相对耗时,只能在关键时刻使用,因此只有 FullGC 才能触发 01dGc。

GC垃圾回收的影响
GC 耗时太长、GC次数太多会影响进程的性能,导致进程响应变慢,或者
无法响应。

        · YGC 耗时:耗时在几十或者几百毫秒属于正常情况,用户几乎无感知,对程序影响比较少。耗时太长或者频繁,会导致服务器超时问题。
        YGC 次数:太频繁,会降低服务的整体性能。高并发服务时,影响会比较大。
        FGC 次数:越少越好。比较正常情况几个小时一次、或者几天才一次。
        FGC 耗时:耗时很长会导致线程频繁被停止,使应用响应变慢,比较卡顿。

产生FGC的原因:
        1. 大对象:系统一次性加载了过多数据到内存中,导致大对象进入了老年代。
        2. 内存泄漏:频繁创建了大量对象,但是无法被回收(比如 IO流对象使用完后未调用 close 方法释放资源),先引发 FGC,最后导致 O0M。
        3.程序频繁生成一些长生命周期的对象,当这些对象的存活年龄超过分代年龄时便会进入老年代,最后引发 FGC。
        4.程序 BUG 导致动态生成了很多新类,使得 Metaspace 不断被占用,先引发 FGC,最后导致 O0M。
        5. JVM 参数设置不合理:包括总内存大小、新生代和老年代的大小、Eden区和 Survivor 区的大小、元空间大小、垃圾回收算法等等。

堆区产生的错误

堆区最容易出现的就是 OutOfMemoryError 错误,这种错误的表现形式会有以下两种:
1. OutOfMemoryError: GC Overhead Limit Exceeded :当 JVM 花太多时间执行垃圾回收,并且只能回收很少的堆空间时,就会发生此错误。
2. OutOfMemoryError: Java heap space:假如在创建新的对象时,堆内存中的空间不足以存放新创建的对象,就会引发此错误。

此种情况,与配置的最大堆内存有关,且受制于物理内存大小。

元空间(Meta Space)

用于存放类信息、常量、静态变量、JIT即时编译器编译后的机器代码等数据等。例如: java.lang.Object 类的元信息、Integer.MAX_VALUE 常量等。

JDK1.6:

HotSpot JVM 使用 Method Area 方法区存储,也叫永久代(Permanent Generation).

方法区和“永久代(Permanent Generation)”的区别:方法区是JVM 的规范,而永久代(Permanent Generation)是 JVM规范的一种实现,并且只有 HotSpot JVM 才有永久代“Permanent Generation”,而对于其他类型的虚拟机,如JRockit(Oracle)、J9(IBM)并没有;
方法区是一片连续的堆空间,当 JVM 加载的类信息容量超过了最大可分配空间,虚拟机会抛出 OutOfMemoryError:PermGenspace 的 Error。
永久代的GC是和老年代(old generation)捆绑在一起的,无论谁满了,都会触发永久代和老年代的垃圾收集。
可以通过 -XX:PermSize=N 设置方法区(永久代)初始空间,-XX:MaxPermSize=N 设置方法区(永久代)最大空间,超过这个值将会抛出错误:java.lang. OutOfMemoryError: PermGen

JDK1.7:

将字符串常量池、静态变量转移到了堆区。

JDK1.8:正式移除永久代,采用 Meta Space 元空间代替

元空间的本质和永久代类似,都是对 JVM规范中方法区的一种具体实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于:元空间并不在虚拟机中,而是使用本地内存。因此,默认情况下,元空间的大小仅受本地内存限制,但可以通过运行参数来指定元空间的大小。
Java 8 中 PermGen 永久代为什么被移出 HotSpot JVM?

由于 PermGen 内存经常会溢出,容易抛出 java.lang.OutOfMemoryError:PermGen 错误;
移除 PermGen 可以促进 HotSpot JVM 与 JRockit VM 的融合,因为 JRockit 没有永久代;

字符串常量池

String 的两种创建方式:

第一种方式是在常量池中获取字符串对象;
第二种方式是直接在堆内存空间创建一个新的字符串对象;

//先检查字符串常量池中有没有"abcd",如果字符串常量池中没有,则创建一个,然后str1 指向字符串常量池中的对象,如果有,则直接将 str1 指向"abcd"String str1 = "apesource";
String str2= new String("apesource");//堆中创建一个新的对象
String str3= new String("apesource");//堆中创建一个新的对象System.out.println(str1 == str2); //false
System.out.println(str2 == str3); //false

String 的 intern()方法:

检查指定字符串在常量池中是否存在?如果存在,则返回地址,如果不存在,则在常量池中创建

String s1 = new String("Apesource");
String s2= s1.intern();//查看字符串常量池中是否存在"Apesource",//如果存在则返回地址,如果不存在,则在常量池中创建
String s3="Apesource";//使用常量池中的已有字符串常量"Apesource"System.out.println(s2 == s3);// true,地址相同

String 的拼接:

String str1 = "str";
String str2 = "ing";String str3="str"+"ing";//常量池中的新字符串对象
String str4=str1+ str2;//在堆中创建的新字符串对象
String str5="string";//常量池中的已有字符串对象System.out.println(str3 == str4); //false
System.out.println(str3 == str5); //true
System.out.println(str4 == str5); //false

String s1 = new String("abc");这句代码创建了几个字符串对象?

创建 1 或 2 个字符串。如果常量池中已存在字符串常量“abc”,则只会在堆空间创建一个字符串常量“abc”。如果常量池中没有字符串常量“abc”,那么它将首先在池中创建,然后在堆空间中创建,因此将创建总共 2个字符串对象.