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JVM系列之.JVM記憶體模型如何正確運用操作?本文詳解

2020-10-16 02:36:30 後端開發

 

JVM系列.JVM記憶體模型

《Java虛擬機規范》將虛擬機的記憶體分為以下幾個區域:

  • 堆區:堆區是JVM中最大的一塊記憶體區域,按照垃圾分代收集的角度劃分,又可以分成年輕代和老年代,而年輕代記憶體又被分成三部分,Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間,默認情況下年輕代按照8:1:1的比例來分配
  • 方法區:存盤類資訊、常量、靜態變數等資料,是執行緒共享的區域;
  • 堆疊區:堆疊區有執行緒獨享,堆疊區又可以具體分為虛擬機堆疊、本地方法堆疊和程式計數器,
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堆區

堆區是虛擬機管理的記憶體中最大的一塊,這塊記憶體區域的主要功能就是存放Java物件和陣列,這個區域是被所有執行緒共享的,

根據《Java虛擬機規范》的規定,Java堆可以處于物理上不連續的記憶體空間中,但在邏輯上它應該被視為連續的,這點就像我們用磁盤空間去存盤檔案一樣,并不要求每個檔案都連續存放,但對于大物件(典型的如陣列物件),多數虛擬機實作出于實作簡單、存盤高效的考慮,很可能會要求連續的記憶體空間,

有些資料上會提到堆區的記憶體空間可以繼續分成“新生代”、“老年代”、“永久代”、“Eden空間”、“From Survivor空間”和“ToSurvivor空間”等,

需要注意的是這種劃分方式不是《Java虛擬機規范》對Java堆的進一步劃分,而是因為現在很多垃圾收集演算法都是根據分代理論進行垃圾收集的,所以才有這樣的劃分方式,

但現如今HotSpot中也出現了不采用分代設計的新垃圾收集器,再按照上面的提法就有很多需要商榷的地方了,

Java堆既可以被實作成固定大小的,也可以是可擴展的,不過當前主流的Java虛擬機都是按照可擴展來實作的(通過引數-Xmx和-Xms設定),如果在Java堆中沒有記憶體完成實體分配,并且堆也無法再擴展時,Java虛擬機將會拋出OutOfMemoryError例外,

Java堆區相關的控制引數

  • -Xms設定堆的最小空間大小,
  • -Xmx設定堆的最大空間大小,
  • -XX:NewSize設定新生代最小空間大小,
  • -XX:MaxNewSize設定新生代最大空間大小,
  • -Xss設定每個執行緒的堆疊大小,

沒有直接設定老年代的引數,但是可以設定堆空間大小和新生代空間大小兩個引數來間接控制,

堆疊區

從上面的介紹可以知道,堆疊區可以分為

  • 虛擬機堆疊
  • 本地方法堆疊
  • 程式計數器區

虛擬機堆疊

Java虛擬機堆疊是執行緒私有的,生命周期和執行緒相同,

虛擬機堆疊描述的是Java方法執行的執行緒記憶體模型:每個方法被執行的時候,Java虛擬機都會同步創建一個堆疊幀(StackFrame)用于存盤區域變數表、運算元堆疊、動態連接、方法出口等資訊,每一個方法被呼叫直至執行完畢的程序,就對應著一個堆疊幀在虛擬機堆疊中從入堆疊到出堆疊的程序,

在《Java虛擬機規范》中,對這個記憶體區域規定了兩類例外狀況:如果執行緒請求的堆疊深度大于虛擬機所允許的深度,將拋出StackOverflowError例外;如果Java虛擬機堆疊容量可以動態擴展[插圖],當堆疊擴展時無法申請到足夠的記憶體會拋出OutOfMemoryError例外

本地方法堆疊

本地方法堆疊(Native Method Stacks)與虛擬機堆疊所發揮的作用是非常相似的,其區別只是虛擬機堆疊為虛擬機執行Java方法(也就是位元組碼)服務,而本地方法堆疊則是為虛擬機使用到的本地(Native)方法服務,

《Java虛擬機規范》對本地方法堆疊中方法使用的語言、使用方式與資料結構并沒有任何強制規定,因此具體的虛擬機可以根據需要自由實作它,甚至有的Java虛擬機(譬如Hot-Spot虛擬機)直接就把本地方法堆疊和虛擬機堆疊合二為一,與虛擬機堆疊一樣,本地方法堆疊也會在堆疊深度溢位或者堆疊擴展失敗時分別拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError例外,

程式計數器

程式計數器可以看作是當前執行緒所執行位元組碼的行號指示器,在Java虛擬機的概念模型里,位元組碼解釋器作業時就是通過改變這個計數器的值來選取下一條需要執行的位元組碼指令,它是程式控制流的指示器,分支、回圈、跳轉、例外處理、執行緒恢復等基礎功能都需要依賴這個計數器來完成,

如果執行緒正在執行的是一個Java方法,這個計數器記錄的是正在執行的虛擬機位元組碼指令的地址;如果正在執行的是本地(Native)方法,這個計數器值則應為空(Undefined),此記憶體區域是唯一一個在《Java虛擬機規范》中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域,

方法區

方法區(Method Area)與Java堆一樣,是各個執行緒共享的記憶體區域,它用于存盤已被虛擬機加載的型別資訊、常量、靜態變數、即時編譯器編譯后的代碼快取等資料,

在JDK 8以前,很多地方會將方法區和永久代的概念等價,并且使用下面的引數設定永久代的大小,

  • -XX:PermSize設定永久代最小空間大小,
  • -XX:MaxPermSize設定永久代最大空間大小,

到了JDK 8中,HotSpot的開發團隊完全廢棄了永久代(PermGem)的概念,改用與JRockit、J9一樣在本地記憶體中實作的元空間(Meta-space)來代替,把JDK 7中永久代還剩余的內容(主要是型別資訊)全部移到元空間中,因此上面的引數在JDK 8以后也不再適用了,

《Java虛擬機規范》對方法區的約束是非常寬松的,除了和Java堆一樣不需要連續的記憶體和可以選擇固定大小或者可擴展外,甚至還可以選擇不實作垃圾收集,相對而言,垃圾收集行為在這個區域的確是比較少出現的,但并非資料進入了方法區就如永久代的名字一樣“永久”存在了,

根據《Java虛擬機規范》的規定,如果方法區無法滿足新的記憶體分配需求時,將拋出OutOfMemoryError例外,

使用以下引數可以設定元空間的大小

  • -XX:MaxMetaspaceSize=128m

假如不設定這個引數,元空間的大小將不受約束,系統能提供多大的記憶體,元空間就能使用多少記憶體,

運行時常量池

運行時常量池也是方法區的一部分,運行時常量池相對于Class檔案常量池的另外一個重要特征是具備動態性,Java語言并不要求常量一定只有編譯期才能產生,也就是說,并非預置入Class檔案中常量池的內容才能進入方法區運行時常量池,運行期間也可以將新的常量放入池中,這種特性被開發人員利用得比較多的便是String類的intern()方法

直接記憶體

這邊講的直接記憶體并不屬于虛擬機運行時資料區的一部分,也不是《Java虛擬機規范》中定義的記憶體區域,但是這部分記憶體也被頻繁地使用,而且也可能導致OutOfMemoryError例外出現

本機直接記憶體的分配不會受到Java堆大小的限制,但是,既然是記憶體,則肯定還是會受到本機總記憶體(包括物理記憶體、SWAP磁區或者分頁檔案)大小以及處理器尋址空間的限制,一般服務器管理員配置虛擬機引數時,會根據實際記憶體去設定-Xmx等引數資訊,但經常忽略掉直接記憶體,使得各個記憶體區域總和大于物理記憶體限制(包括物理的和作業系統級的限制),從而導致動態擴展時出現OutOfMemoryError例外,

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