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                Java虚拟机的运行时数据区域及内存的管理方法

                电脑杂谈  发布时间:2021-06-12 06:03:20  来源:网络整理

                1.概览

                对于Java程序员来说,借助虚拟机的自动内存管理机制,不再需要手动释放内存,也不容易出现内存泄漏和内存溢出问题。一旦发生内存泄漏和㊣溢出,如果您不了解虚拟机是如何使用内存的,那么排查错误将极其困难。

                2.运行时数据区

                Java 虚拟机在 Java 程序执行过程中将其管理的内存划分为几个不同的数据区。这些地区有自己的目的,也有创造和毁灭的时间。有些区域随着虚拟机进程的启动而存在,有些区域的创建和销毁取决于用户线程的开」始和结束。 Java虚拟机热点管理的内存包括以下运行时数据区,如图:

                java虚拟机内存模型

                2.1 程序◎计数器

                程序计数器寄∏存器是一个很小的内存空间,可以『看作是当前线程执行的Java字节码的行号指△示器。在虚拟机的概念模型中,当字节码解释器工作时,它通过改变这个计数器的值来选择下一条要执行的字节码指令。分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基本功能都需要依赖这个计数器来完成。

                因为Java虚拟机的多线程是通过线程交替切换和分配处理∩器执行时间的方式来实现的,所以在某一时刻,一个处理器只会执行一个线程中的指令。因此,为了程切换后恢复到正确的执行位置,每个线程都需要有一个独立的程序计数器。线程之间的计数器互不影响,独立存储。我们称这种类型的内存区域为◥“线程私有”内存。

                如果线程正在执行一个Java方法,这个计数器记录了正在◥执行的虚拟机字节码指令的地址;如果它∩正在执行 Native 方法,则计数器值为空(未定义)。此内存区域是 Java 虚拟机规↘范中唯一未指定 OutOfMemoryError 的区域。

                2.2Java 虚拟机栈

                和程序计数器一样,Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)也是线程私有的,它的生命周期与线程的生命周期相∴↓同。虚拟机栈描述了Java方法执行的内①存模型:每个方↘法执行时,都会创▓建一个Stack Frame来存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法退出等信息。每个方法从调用到执行完成的过程,对应着虚拟机栈中一个栈帧入栈到出栈的≡过程。

                有些人经常将Java内存分为堆√内存(Heap)和栈内存(Stack)。所指的“堆”是Java堆,所指的“栈”是虚拟机↘栈,或者说是虚拟机栈中局部变量表的一部分。

                局部变量表存①储了编译时已知的各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(引用类型,它不等同于对象本身,它可能是一个指向对象起始地址的引用指针,也可能指向一个表示该对象的句〖柄或与该对象相关的其他位置)和 returnAddress 类型(指向一个字节码指令的地址)。

                64位长的long和double数据会占用两个局部变量空间(Slot),其余数据类型只占用一个。局部变量表所需的内存空间在编译时分配。进入一个方法时,该方法需☆要在帧中分配多少局部变量空间是完全确定的,并且在方法运行过程中不会改变局部变量表的大小。

                在Java虚拟机规范中,对这个区域规定了两种异常情况:如果线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度,则抛出StackOverflowError异常;如果虚拟机栈可以动态扩展(目前很大一部分Java虚拟机可以动态扩〗展,但是Java虚拟机规范也允许固定长度的虚拟机栈)。如果扩容时无法申请足够的内存,则会抛出 OutOfMemoryError 异常。

                java虚拟机内存模型_java内存模型 堆栈_java内存模型 和堆█栈的区别

                2.3 本地方法栈

                Native Method Stack 和虚拟机堆栈所扮演的角色非常相似。它们的区别在于虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(即字节码)服务,而native方法栈为虚拟机使用的Native方法服务。在虚拟机♀规范中,本地方法栈中的方法所使用的语言、用法和ξ数据结构不是强制性的。 HotSpot 虚拟机直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一。和虚拟机栈々一样,本地方法栈区也会抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常。

                参数设置:

                -Xss 设置每个线程的堆栈大ω 小。 JDK1.5+每个线程的栈大小〓为1M。一般来说,如果栈不◎是很深,1M绝对够了。

                参数含〗义解析:

                注意:

                在相同的物理内存下,减小这个值可以产生更多的线程。但是操作系统对进程中的线程数还是有限制的,不能无限生成。经验值在3000~5000左右。

                2.4Java 堆

                对于大多数应】用程序来说,Java 堆是 Java 虚拟机↘管理的最大一块内存。 Java堆是所有线程共享的内存区域,在虚拟机启动时创〓建。这个内存区的唯一用途就是存放对象实例,几乎所有的对象实例都在这里分配内存。这在Java虚拟机规范中是这样描述的:所有的对象实例和数组都必须分配在堆上,但是随着JIT编译器的发展和逃逸分析技术的逐渐成熟,栈分配和标量替换优化技术将作为结果,发生了一些微妙的变化,所有对象都分配在堆上,逐渐变得不那么“绝对”。

                Java 堆是垃圾收集器管理的主要①区域,因此常被称为“GC 堆”(Garbage Collected Heap)。从内存回收的角度来看,由于现在收集器基本上都是采用分代收集算法,所以Java堆也可以细分为:新生代和老年代;更详细一点,新生代可以有Eden空间和From Survivor Space、To Survivor空间等。 从内存分配的角度来看,线程共享的Java堆可能会被划分为多个线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer,表)。但是,无论划分如何,都与存储内容无关。无〖论哪个区域,存储的仍然是对象卐实例。进一步划分的目的是为了更好地回收内存→或更快地分配内存。

                根据Java虚拟机规范,Java堆可以在物理上不连续的内存空间,只要在逻辑上是连续的,就像我们的□ 磁盘空间一样。在实现上,可以实现为固定大小,也可以扩展实现,但是〖目前主流的虚拟机都是按照可扩展性来实现的(由-Xmx和-Xms控制)。如果堆中没有内存来完成实↑例分配,并且无法再扩展堆,则会抛出 OutOfMemoryError 异常。

                参数设置:

                -Xms 设置堆的最小大小;通常是操作系统可用内存的 1/64。 -Xmx 设置堆的最大╳大小;通常是操作系统可用内存的 1/4。 -Xmn 设置新生代大小,同时配置-XX:newSize和-XX:MaxnewSize这两个参数。该参数出现在JDK1.4版本之后;通常是 Xmx 的 1/3 或 1/4。新生代 = 伊甸园 + 2 个幸存者空间。实际可用空间 = Eden + 1 Survivor,即 90%。 -XX:NewSize 设置新生代的最小空间大小; -XX: MaxNewSize 设置新生代ω的最大空间大小; -XX:NewRatio 新¤生代与老年代的比例,如-XX:NewRatio=2,新生代占整个堆空间的1/3,老年代占2/3。 -XX: SurvivorRatio 新生代中Eden与Survivor的比例。默认值为8,即Eden占据新生代空间的8/10,另外两个Survivor各占1/10。

                参数含义解析:

                java虚拟机内存模型_java内存模型 堆栈_java内存模型 和堆栈的▃区别

                注意:

                在开发过程中,-Xms和-Xmx这两个参数通常配置为相同的值。目的是为了在Java垃圾回收机制清理完堆区后,能ω 够浪费对堆区大小的计算。资源。

                2.5 方法区(永久代)

                Method Area 和 Java 堆一样,是每个线程共享的内存区域。它用于存储虚拟机已经加载的类信息、常量、静态变量和即时◤编译器编译的代码等数据。即存放静态文件,如Java类、方法等。虽然Java虚拟机规范将方法区描述为堆的逻辑部分,但它有一个别名叫做Non-Heap(非堆),目的应该是和Java堆区分开来的。

                对于习惯于在 HotSpot 虚拟机上开发和部署程序的开发者来说,很更喜欢称这种方式为“永久代”。本质上,两者并不等价,只是因为HotSpot虚拟机设计团队选择将GC分代收集扩展到方法区,或者使用永久代来实现方法区,所以HotSpot的垃圾收集器可以管理这部分内存像Java堆一样,可以节省专门为方法区编写内存管理代码的工作。

                根据Java虚拟机规范,当方法区不能满足内存分配要求时,会抛出OutOfMemoryError异常。

                方◥法区在不同的虚拟机中有不同的实现。 HotSpot 在1.7 版本、1.7 版本和1.7 版本之前发生了变化。

                ①jdk7版本之前的实现如下图所示:

                java虚拟机内存模型

                ②目前已经发布的JDK1.7的HotSpot中,原本放在永※久代中的字符串常量池已经移到☉了Java堆中。

                ③在jdk8版本中,永久代彻底删除】,换成MetaSpace,如图:

                java虚拟机内存模型

                常量池和静态变量在运行时存储在堆中。 MetaSpace 存储类的元数据。 MetaSpace 直接存储在本地内存(Native memory)中。此类元数据的分配仅受本地内存大小的限制。 OOM 问题不再存在。

                参数设置:

                java内存模型 和堆栈的区别_java内存模型 堆栈_java虚拟机内存模型

                -XX:PermSize 设置永久代的最小空间大小; -XX: MaxPermSize 设置永久代的最大空间大小;

                参数含义解析:

                注意:

                2.5.1 运行时常量池

                运行时常量池是方法区的一部分。 Class文件中除了类版□本、字段、方法、接口的描述信息⊙外,还有一个常量池(Constant Pool Table),用于存储编译时产生的各◣种文字和符号引用。这部分内容会在类加载后保存在方法区的运行时常量池中。

                Java 虚拟机对 Class 文件的各个部分(自然包括常量池)的格式有严格的规定。每个字节用来存储什么样的数据,必须满足规范的要□ 求,才能被虚拟机识别⌒并加载和执行,但是对于运行●时常量池,Java虚拟机规范卐并没有做任何详细的要求。不过一般情况下,除了保存Class文件中描述的符号引用外,翻译后的直接引用也会保存在运行时常量池中。

                与类文件常◣量池相比,运行时常量池的另一个重要特♀性是它是动态的☆。 Java 语言并不要求常量只在编译时☆生成,即不会在 Class 文件中预置到常量池中。在方法区进入运∑ 行时常量池,你也可以在运行时将新的常量放入池中。这个特性是开发者使用比较频繁的String类的intern()方法。

                由于运行时常量池是方法区的一部分,自然受到方法区内存的限制。当常量池不能再申请内存时,会抛出 OutOfMemoryError 异常。

                2.6 直接内存(堆外内存)

                直接内存(Direct Memory),也叫〓堆外内存,不是虚拟机运行时的数据区的一部分,也不是Java虚拟机规范中定义的内存区,而是Java虚拟机堆外的内存,由操作系统直接管理。但是这部分内存也是经常使用的,也可能会导致出现OutOfMemoryError。使用堆外内存有两个优点。一是减少垃圾收集,二是提高复Ψ 制速度。例如,NIO 使用堆外内存。可以使用 NIO 包下未公开的 Unsafe 和 ByteBuffer 来创建堆外内存。

                在JDK1.4中,新增了NIO(New Input/Output)类,并引入了基于通道和缓冲区的I/O方法。它可以直接使用Native函数≡库分配堆外内存,然后使用Java堆中※存储的一个DirectByteBuffer对象作为对这块内存的引用进行操作。这在某些情况下可以显着提高性能,因为它避免了在 Java 堆和 Native 堆之间来回复制数据。

                显然,机器的直接内存分配不会受到Java堆大小的限制,但是既然是内存,肯定会受到机器总内存大小(包括RAM和SWAP区或分页文件)和处理寻址空间限制。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,但往往会忽略直接内存,使得每个内存区域的总和大于物理内存限制(包括↙物理和操作系统级别的限制) ,导ζ 致动态扩容时出现 OutOfMemoryError 异常。

                参数设置:最大可用直接内存可」以通过-XX:MaxDirectMemorySize参数设置。如果Java虚拟机启动〓时没有设置,默认是最大堆内存大小,与-Xmx相同。也就是说,如果【最大堆内存是1G,那么默认的直接内存也是1G,所以JVM需要的最大内存大小是2G以上。当直接内存@达到最大限制时,将触发 GC。如果恢】复失败,会导致OutOfMemoryError。

                总结

                参考资料:

                《深入理解Java虚拟机JVM的高级特性和最佳实践》第二版


                本文来自电脑杂谈,转¤载请注明本文网址:
                http://www.pc-fly.com/a/shoujiruanjian/article-382225-1.html

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                    郭建阳

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                    • 李寇娜
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