JVM簡明筆記2：運行時資料區

內容為之前學習筆記整理，本文示意圖為自己學習所畫，如果有問題歡迎指正，

1 記憶體布局總體結構

根據 JVM 規范，JVM 記憶體共分為虛擬機堆疊（Virtual Machine Stacks）、堆（Heap）、方法區（Method Area）、程式計數器（Program Counter Registers）、本地方法堆疊（Native Method Stacks）五個部分，

• Java 8 之前在堆（Heap）中除了年輕代（YongGen）、老年代（OldGen）之外還存在一個永久代（PremGen）

  • 永久代存放：類的元資料、靜態變數和常量

  • 方法區（Method Area）存在于永久代之中

  • 運行時常量池（Runtime Constant Pool）存在于方法區（Method Area）中

• Java 8 及之后的版本，徹底移除了持久代（PermGen），而使用 元空間（Metaspace） 來進行替代

  • 永久代中的 類元資訊（class metadata） 轉移到了 本地記憶體（Native Memory） 而不是虛擬機

  • 永久代中的 字串常量池（interned Strings） 和 類靜態變數（class static variables） 轉移到了堆（ Heap）中

  • 永久代引數（PermSize 與 MaxPermSize）失效，替換為元空間引數（MetaspaceSize 與 MaxMetaspaceSize）

• Java 8 為什么要將永久代替換成Metaspace？

  • 字串存在永久代中，容易出現性能問題和記憶體溢位，

  • 類及方法的資訊等比較難確定其大小，因此對于永久代的大小指定比較困難，太小容易出現永久代溢位，太大則容易導致老年代溢位，

  • 永久代會為 GC 帶來不必要的復雜度，并且回收效率偏低，

  • Oracle 可能會將 HotSpot 與 JRockit 合二為一，JRockit 沒有所謂的永久代，

• 廢除永久代的好處

  • 由于類的元資料分配在本地記憶體中，元空間的最大可分配空間就是系統可用記憶體空間

  • 將運行時常量池從 PermGen 分離出來，與類的元資料分開，提升類元資料的獨立性，

  • 將元資料從 PermGen 剝離出來到 Metaspace，可以提升對元資料的管理同時提升GC效率，

2 程式計數器（Program Counter Register）

用于執行引擎在執行緒切換，在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、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，

由于Java虛擬機的多執行緒是通過執行緒輪流切換并分配處理器執行時間的方式來實作的，為了執行緒切換后能恢復到正確的執行位置，每條執行緒都需要有一個獨立的程式計數器，各條執行緒之間計數器互不影響，獨立存盤，我們稱這類記憶體區域為“執行緒私有”的記憶體，

• 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

• 如果執行緒正在執行的是一個Native方法，這個計數器值則為 Undefined

• 程式計數器是執行緒私有的，它的生命周期與執行緒相同，每個執行緒都有一個

3 Java 虛擬機堆疊（Java Virtual MachineStacks）

Java虛擬機堆疊(Java Virtual Machine Stacks)是執行緒私有的，生命周期和執行緒相同，

Java虛擬機堆疊和執行緒同時創建，用于存盤堆疊幀(Stack Frame)，每個方法在執行時都會創建一個堆疊幀，用于存盤區域變數表、運算元堆疊、動態鏈接、方法出口等資訊，

堆疊里的每條資料，就是堆疊幀，在每個 Java 方法被呼叫的時候，都會創建一個堆疊幀，并入堆疊，一旦完成相應的呼叫，則出堆疊，所有的堆疊幀都出堆疊后，執行緒也就結束了，每個堆疊幀，都包含四個區域：

• 區域變數表（Local Variable Table）：用于存放方法引數和方法內定義的區域變數， 包括8種基本資料型別、物件參考和returnAddress型別（指向一條位元組碼指令的地址），其中64位長度的long和double型別的資料會占用2個區域變數空間（Slot），其余的資料型別只占用1個，

• 運算元堆疊（Operand Stack）：是一個后入先出堆疊(LIFO)，隨著方法執行和位元組碼指令的執行，會從區域變數表或物件實體的欄位中復制常量或變數寫入到運算元堆疊，再隨著計算的進行將堆疊中元素出堆疊到區域變數表或者回傳給方法呼叫者，也就是出堆疊/入堆疊操作，

• 動態連接（Dynamic Linking）：將符號參考轉換成直接參考，

• 回傳地址（Return Address）：方法正常退出時，呼叫者的PC計數器的值作為回傳地址，即呼叫該方法的指令的下一條指令的地址，而通過例外退出的，回傳地址是要通過例外表來確定，堆疊幀中一般不會保存這部分資訊，

在Java虛擬機規范中，對這個區域規定了兩種例外狀況：

• 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；

• 如果虛擬機堆疊可以動態擴展（當前大部分的Java虛擬機都可動態擴展，只不過Java虛擬機規范中也允許固定長度的虛擬機堆疊），如果擴展時無法申請到足夠的記憶體，就會拋出OutOfMemoryError例外，

4 本地方法堆疊（Native Method Stack）

基本功能與虛擬機堆疊非常相似，服務的物件是 native 方法，本地方法堆疊也是執行緒私有的，它的生命周期與執行緒相同，每個執行緒都有一個，

在 HotSpot 虛擬機中直接就把本地方法堆疊和虛擬機堆疊合二為一，

會和 Java 虛擬機堆疊一樣，本地方法堆疊區域也會拋出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 例外，

5 堆（Heap）與 元空間（Metaspace）

堆是什么：

• 在虛擬機啟動的時候創建，

• 堆中的資料是執行緒所共享的，目的就是存放物件實體，

• 堆是 垃圾收集器管理 的主要區域，

• 堆是虛擬機所管理的記憶體中最大的一塊，由于現在收集器基本都采用分代收集演算法，所以Java堆還可以細分為：新生代和老年代（JDK 1.7以及之前還存在永久代）；新生代又可以分為：Eden 空間、From Survivor空間、To Survivor空間，默認占比 8：1：1，

• 堆是計算機物理存盤上不連續的、邏輯上是連續的，也是大小可調節的（可以通過 -Xms 和 -Xmx 控制），

• 方法結束后,堆中物件不會馬上移出僅僅在垃圾回收的時候時候才移除，

• 如果在堆中沒有記憶體完成實體的分配，并且堆也無法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError例外

另外：從記憶體分配的角度來看，執行緒共享的Java堆中可能劃分出多個執行緒私有的分配緩沖區（Thread Local AllocationBuffer，TLAB），

• Yong Gen：1個Eden Space和2個Suvivor Space（from 和to），主要存放新創建的物件，記憶體大小相對會比較小，垃圾回識訓比較頻繁，

• Old Gen（Tenured Gen）: 主要存放JVM認為生命周期比較長的物件（經過幾次的Young Gen的垃圾回收后仍然存在），記憶體大小相對會比較大，垃圾回收也相對沒有那么頻繁，

• 默認 -XX:NewRatio=2 , 標識新生代占1 , 老年代占2 ,新生代占整個堆的1/3

• 默認 -XX:SurvivorRatio=6，標識Eden 空間：From Survivor空間：To Survivor空間 = 8：1：1

物件分配記憶體的作業流程圖

GC相關概念

• form survivor 又稱 s0

• to survivor 又稱 s1

• 部分收集：Partial GC

  • 新生代收集：Minor GC / Young GC

    • 年輕代空間不足觸發， 這里年輕代指的是Eden滿，Survivor滿不會引發GC

  • 老年代收集：Major GC / Old GC

    • 老年代空間不足時,會嘗試觸發MinorGC. 如果空間還是不足,則觸發Major GC，如果Major GC , 記憶體仍然不足,則報錯OOM

• 混合收集：Mixed GC

  • G1垃圾回收器會混合回收, region 區域回收

• 整堆收集：Full GC

  • 用System.gc() , 系統會執行Full GC ,不是立即執行

  • 老年代空間不足時觸發

  • 方法區空間不足時觸發

關于元空間（Metaspace）的單獨說明

• 在 JDK1.7 之前，HotSpot 虛擬機把方法區當成永久代來進行垃圾回收

• 從 JDK1.8 開始，HotSpot 虛擬機移除永久代，并把方法區移至元空間

• 永久代與元空間的區別

  • 永久代在物理上是堆的一部分，和新生代、老年代的地址是連續的，而元空間屬于本地記憶體

  • 在原來的永久代劃分中，永久代用來存放類的元資料資訊、靜態變數以及常量池等，現在類的元資訊存盤在元空間中，靜態變數和常量池等并入堆中，

6 方法區（Method Area）與 運行時常量池（Runtime Constant Pool）

在 HotSpot 虛擬機上 GC 分代收集擴展至方法區，使用了永久代來實作方法區（JDK1.7及以前，從 JDK 1.8 開始，移除永久代，并把方法區移至元空間），

元空間、永久代是方法區具體的落地實作，方法區看作是一塊獨立于Java堆的記憶體空間，它主要是用來存盤所加載的類資訊的，方法區是一個規范，只不過取代永久代的是元空間（Metaspace），

• 與堆類似，方法區是被各個執行緒共享的記憶體區域

• 存盤已被虛擬機加載的類資訊、常量、靜態變數、即時編譯器編譯后的代碼等資料

類加載器將Class檔案加載到記憶體之后，將類的資訊存盤到方法區中

• 類資訊：類全名、直接父類的全名、修飾符、實作的介面串列

• 類的屬性資訊：名稱、型別、修飾符

• 類的方法資訊：回傳型別、引數數量和型別、修飾符、位元組碼bytecodes、運算元堆疊、區域變數表及大小（abstract和native方法除外）、例外表

運行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區的一部分，Class檔案中除了有類的版本、欄位、方法、介面等描述資訊外，還有一項資訊是常量池（Constant Pool Table），用于存放編譯期生成的各種字面量和符號參考，這部分內容將在類加載后進入方法區的運行時常量池中存放，

• 靜態常量池：存放編譯期間生成的各種字面量與符號參考，在位元組碼檔案中即 .class 檔案，

• 運行時常量池：常量池表在運行時的表現形式，在方法區，

• 編譯后的位元組碼檔案中包含了型別資訊、域資訊、方法資訊等，通過ClassLoader將位元組碼檔案的常量池中的資訊加載到記憶體中，存盤在了方法區的運行時常量池中，

7 直接記憶體（Direct Memory）

直接記憶體（Direct Memory） 并不是虛擬機運行時資料區的一部分，

• 直接記憶體申請空間耗費更高的性能，當頻繁申請到一定量時尤為明顯

• 直接記憶體IO讀寫的性能要優于普通的堆記憶體，在多次讀寫操作的情況下差異明顯

在JDK 1.4中新加入了NIO（New Input/Output） 類， 引入了一種基于通道（Channel） 與緩沖區 （Buffer）的 I/O 方法，它可以使用Native函式庫直接分配堆外記憶體， 然后通過一個存盤在Java堆里面的 DirectByteBuffer 物件作為這塊記憶體的參考進行操作，避免了 在Java堆和Native堆中來回復制資料，

直接記憶體的大小并不受到 JVM 堆大小的限制，甚至不受到 JVM 行程記憶體大小的限制，它只受限于本機總記憶體（RAM 及 SWAP 區或者分頁檔案）大小以及處理器尋址空間的限制，

DirectBuffer并沒有真正向OS申請分配記憶體，其最侄訓是通過呼叫 Unsafe 的 allocateMemory() 來進行記憶體分配，不過 JVM 對 Direct Memory 可申請的大小也有限制，可用 -XX:MaxDirectMemorySize=1M 設定，這部分記憶體不受JVM垃圾回收管理，

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