JVM：内存结构

简介

《深入理解Java虚拟机（第2版）》中的描述是下面这个样子的：

JVM的内存结构大概分为：

通过一张图来了解如何通过参数来控制各区域的内存大小

控制参数

-Xms设置堆的最小空间大小。
-Xmx设置堆的最大空间大小。
-XX:NewSize设置新生代最小空间大小。
-XX:MaxNewSize设置新生代最大空间大小。
-XX:PermSize设置永久代最小空间大小。
-XX:MaxPermSize设置永久代最大空间大小。
-Xss设置每个线程的堆栈大小。

没有直接设置老年代的参数，但是可以设置堆空间大小和新生代空间大小两个参数来间接控制。

老年代空间大小=堆空间大小-年轻代大空间大小

程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在Java虚拟机概念模型里（概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式实现），字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令（分支、跳转、循环、异常处理、线程恢复等基础操作都会依赖这个计数器来完成）。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮换切换、分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要一个独立的程序计数器，各条线程互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为"线程私有"的内存。

此内存区域是唯一一个在JVM规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

1. 程序计数器的作用

• 字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制；
• 在多线程情况下，程序计数器记录的是当前线程执行的位置，从而当线程切换回来时，就知道上次线程执行到哪了；

2. 程序计数器的特点

• 是一块较小的内存空间；
• 线程私有，每条线程都有自己的程序计数器；
• 生命周期：随着线程的创建而创建，随着线程的结束而销毁；
• 是唯一一个不会出现OutOfMemoryError的内存区域；

如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是一个本地（Natvie）方法，这个计数器值则为空（Undefined）。

Java虚拟机栈

虚拟机栈是线程私有的内存区域，生命周期与线程相同。它描述的是Java方法执行的线程内存模型，每个方法执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法从调用直至完成的过程，都对应着一个栈帧从入栈到出栈的过程。

每当一个方法执行完成时，该栈帧就会弹出栈帧的元素作为这个方法的返回值，并且清除这个栈帧，Java栈的栈顶的栈帧就是当前正在执行的活动栈，也就是当前正在执行的方法。就像是组成动画的一帧一帧的图片，方法的调用过程也是由栈帧切换来产生结果。

• 局部变量表(Local Variable Table)：存放了编译期可知的各种Java虚拟机的基本数据类型（int、short、byte、char、double、float、long、boolean）、  对象引用（reference类型，它并不等同于对象本身，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者其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）。这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，其中64位长度的long和double类型的数据会占有2个变量槽，其余的数据类型只占1个变量槽。局部变量表所需要的内存空间在编译期完成配置，当进入一个方法时，这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小（"大小"指的是变量槽的数量）。 
• 操作数栈(Operand Stack)：也称作操作栈，是一个后入先出栈(LIFO)。随着方法执行和字节码指令的执行，会从局部变量表或对象实例的字段中复制常量或变量写入到操作数栈，再随着计算的进行将栈中元素出栈到局部变量表或者返回给方法调用者，也就是出栈/入栈操作。
• 动态链接：Java虚拟机栈中，每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈所属方法的符号引用，持有这个引用的目的是为了支持方法调用过程中的动态链接(Dynamic Linking)。
• 方法返回：无论方法是否正常完成，都需要返回到方法被调用的位置，程序才能继续进行。

基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）

1. 压栈出栈过程

Java 虚拟机栈的栈顶的栈帧是当前正在执行的活动栈，也就是当前正在执行的方法，程序计数器也会指向这个地址。只有这个活动的栈帧的本地变量可以被操作数栈使用，当在这个栈帧中调用另一个方法，与之对应的栈帧又会被创建，新创建的栈帧压入栈顶，变为当前的活动栈帧。

方法结束后，当前栈帧被移出，栈帧的返回值变成新的活动栈帧中操作数栈的一个操作数。如果没有返回值，那么新的活动栈帧中操作数栈的操作数没有变化。

由于Java 虚拟机栈是与线程对应的，数据不是线程共享的，因此不用关心数据一致性问题，也不会存在同步锁的问题。

2. Java虚拟机栈特点

• Java 虚拟机栈也是线程私有，随着线程创建而创建，随着线程的结束而销毁。
• 局部变量表随着栈帧的创建而创建，它的大小在编译时确定，创建时只需分配事先规定的大小即可。在方法运行过程中，局部变量表的大小不会发生改变。
• 如果线程请求的栈深度大于Java虚拟机栈所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；
• 如果虚拟机栈动态扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈（C栈）

本地方法栈：是描述 Native方法运行过程的线程内存模型。是为 JVM 运行 Native 方法准备的空间。由于很多 Native 方法都是用 C 语言实现的，所以它通常又叫 C 栈。它与Java 虚拟机栈实现的功能类似，只不过本地方法栈是描述本地方法运行过程的线程内存模型。

本地方法被执行时，在本地方法栈也会创建一块栈帧，用于存放该方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息等。方法执行结束后，相应的栈帧也会出栈，并释放内存空间。也会抛出 StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 异常。

如果 Java 虚拟机本身不支持 Native 方法，或是本身不依赖于传统栈，那么可以不提供本地方法栈。如果支持本地方法栈，那么这个栈一般会在线程创建的时候按线程分配。

被native关键字修饰的方法叫做本地方法

堆（Java Heap）

对于Java应用程序来说，Java堆是虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的是存放对象实例。Java世界里"几乎"所有的对象实例都在这里分配内存。所有的对象实例以及数组都应当在堆上分配。

Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但在逻辑上应该认为是连续分配的，这一点就像我们使用磁盘存储文件，并不要求每个文件都连续存放。但对于大对象（典型的如数组对象），多数虚拟机处于实现简单、存储效率的考虑，很可能要求连续的内存空间。

Java堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过现在主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。如果在Java堆上没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError 异常。

1. 堆的特点

• 线程共享，整个 Java 虚拟机只有一个堆，所有的线程都访问同一个堆
• 在虚拟机启动时创建，是垃圾回收的主要场所

方法区（Method Area）

方法区跟Java堆一样，是各个线程共享的区域，它用于存储已经被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。除了跟Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展，甚至可以选择不实现垃圾收集。这一区域内存回收的主要目标是针对常量池和类型的卸载。

1. 方法区特点

• 线程共享：方法区是堆的一个逻辑部分，因此和堆一样，都是线程共享的。整个虚拟机中只有一个方法区
• 永久代：方法区中的信息一般需要长期存在，而且它又是堆的逻辑分区，因此用堆的划分方法，把方法区称为“永久代”
• 内存回收效率低：方法区中的信息一般需要长期存在，回收一遍之后可能只有少量信息无效

Java虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是有必要的。

2. 运行时常量池

运行时常量池就存放在方法去中，常量就存放在运行时常量池中。

Java语言并不要求常量一定要在编译期才能产生，也就是说，并非预置入.class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池。当类被 Java 虚拟机加载后，.class 文件中的常量就存放在方法区的运行时常量池中。运行期间也可以将新的常量放入池中，这种特性在开发人员中用的比较多的如 String 类的 intern() 方法就能在运行期间向常量池中添加字符串常量。

3. 永久代

首先，认识一个概念：永久代(Permanet Generation，也称PermGen)。对于习惯了在HotSpot虚拟机上开发、部署的程序员来说，很多都愿意将方法区称作永久代。

本质上来讲两者并不等价，仅因为Hotspot将GC分代扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区。在其他虚拟机上是没有永久代的概念的。也就是说方法区是规范，永久代是Hotspot针对该规范进行的实现。 理解上面的概念之后，我们对Java7及以前版本的堆和方法区的构造再进行一下变动。

Java7及以前版本的Hotspot中方法区位于永久代中。同时，永久代和堆是相互隔离的，但它们使用的物理内存是连续的。 永久代的垃圾收集是和老年代捆绑在一起的，因此无论谁满了，都会触发永久代和老年代的垃圾收集。 但在Java7中永久代中存储的部分数据已经开始转移到Java Heap或Native Memory中了。比如，符号引用(Symbols)转移到了Native Memory；字符串常量池(interned strings)转移到了Java Heap；类的静态变量(class statics)转移到了Java Heap。 然后，在Java8中，Hotspot取消了永久代。永久代真的成了永久的记忆。永久代的参数-XX:PermSize和-XX：MaxPermSize也随之失效。

4. 元空间(Metaspace)

对于Java8，HotSpots取消了永久代，那么是不是就没有方法区了呢？当然不是，方法区只是一个规范，只不过它的实现变了。 在Java8中，元空间(Metaspace)登上舞台，方法区存在于元空间(Metaspace)。同时，元空间不再与堆连续，而且是存在于本地内存（Native memory）。

本地内存（Native memory），也称为C-Heap，是供JVM自身进程使用的。当Java Heap空间不足时会触发GC，但Native memory空间不够却不会触发GC。 元空间存在于本地内存，意味着只要本地内存足够，它不会出现像永久代中“java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space”这种错误。 默认情况下元空间是可以无限使用本地内存的，但为了不让它如此膨胀，JVM同样提供了参数来限制它使用的使用。

• -XX：MetaspaceSize，class metadata的初始空间配额，以bytes为单位，达到该值就会触发垃圾收集进行类型卸载，同时GC会对该值进行调整：如果释放了大量的空间，就适当的降低该值；如果释放了很少的空间，那么在不超过MaxMetaspaceSize（如果设置了的话），适当的提高该值。
• -XX：MaxMetaspaceSize，可以为class metadata分配的最大空间。默认是没有限制的。
• -XX：MinMetaspaceFreeRatio,在GC之后，最小的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为class metadata分配空间导致的垃圾收集。
• -XX:MaxMetaspaceFreeRatio,在GC之后，最大的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为class metadata释放空间导致的垃圾收集。

思考一下，为什么使用元空间替换永久代？ 表面上看是为了避免OOM异常。因为通常使用PermSize和MaxPermSize设置永久代的大小就决定了永久代的上限，但是不是总能知道应该设置为多大合适, 如果使用默认值很容易遇到OOM错误。 当使用元空间时，可以加载多少类的元数据就不再由MaxPermSize控制, 而由系统的实际可用空间来控制。 更深层的原因还是要合并HotSpot和JRockit的代码，JRockit从来没有所谓的永久代，也不需要开发运维人员设置永久代的大小，但是运行良好。同时也不用担心运行性能问题了,在覆盖到的测试中, 程序启动和运行速度降低不超过1%，但是这点性能损失换来了更大的安全保障。

直接内存（堆外内存）

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也经常被频繁的使用，而且也可能导致OutOfMemoryError 异常。直接内存的分配不受Java堆大小的限制，但是，既然是内存则肯定还是会受到本机总内存的限制。

服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常忽略直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制，从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。