Java虚拟机的运行时数据区域及内存的管理方法

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：

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。

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：

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：

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：

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：

-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

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