深入Java虚拟机笔记--Java8内存结构

我们都知道,Java代码是要运行在虚拟机上的,而虚拟机在执行Java程序的过程中会把所管理的内存划分为若干个不同的数据区域,这些区域都有各自的用途。

其中有些区域随着虚拟机进程的启动而存在,而有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。在《Java虚拟机规范(Java SE 8)》中描述了JVM运行时内存区域结构如下:
《深入Java虚拟机笔记--Java8内存结构》
图片来源于网上。

程序计数器(Program Counter Register)

该区域划分了一块较小的内存空间,他可以看作是当前线程多执行的字节码的信号指示器。

在任何一个确定的时刻,一个处理器(对于多内核来说是一个内核)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,通过改变计数器的值来指定下一条需要执行的字节码指令。我们称这类内存区域为“线程私有”内存。

如果当前执行的是 Java 的方法,则该寄存器中保存当前执行指令的地址;倘若执行的是native 方法,则PC寄存器中为空(Undefined)。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

Java虚拟机栈

虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型,每个方法从调用直至执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。它的生命周期与线程相同。每个线程有一个私有的栈,随着线程的创建而创建。栈里面存着的是一种叫“栈帧”的东西,每个方法会创建一个栈帧,栈帧中存放了局部变量表(基本数据类型和对象引用)、操作数栈、方法出口等信息。

局部变量表里存放了编译期间可知的各种基本数据类型(8种)、对象引用、returnAddress类型(指向一条字节码指令的地址)。64位长度的long和double类型占用2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期间完成分配,当进入一个方法时,这个方法需要在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。

栈的大小可以固定也可以动态扩展。当栈调用深度大于JVM所允许的范围,会抛出StackOverflowError的错误。如果扩展时无法申请到足够的内存,会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈(Native Method Stack)

与虚拟机栈类似,区别是虚拟机栈执行java方法,本地方法站执行native方法。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方法与数据结构没有强制规定,因此虚拟机可以自由实现它。本地方法栈也可以抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆

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,用来存放对象实例。该区域时JVM所管理的内存中最大的一块区域。垃圾收集器(GC)作用于该区域,用来回收不使用的对象的内存空间。

堆的大小可以固定也可以动态扩展,可通过-Xms(最小值)和-Xmx(最大值)参数设置,如果在堆中没有内存完成实例分配,且堆也无法在扩展时,会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

方法区也是所有线程共享。主要用于存储类的信息、常量池、静态变量、及时编译器编译后的代码等数据。方法区逻辑上属于堆的一部分,但是为了与堆进行区分,通常又叫“Non-Heap(非堆)”。

方法区的大小可以通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize参数来设置。当方法区无法满足内存分配的需求时,抛出OutOfMemoryError异常。

PermGen(永久代)

绝大部分 Java 程序员应该都见过 “java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space “这个异常。这里的 “PermGen space”其实指的就是方法区。不过方法区和“PermGen space”又有着本质的区别。前者是 JVM 的规范,而后者则是 JVM 规范的一种实现,并且只有 HotSpot 才有 “PermGen space”,而对于其他类型的虚拟机,如 JRockit(Oracle)、J9(IBM) 并没有“PermGen space”。由于方法区主要存储类的相关信息,所以对于动态生成类的情况比较容易出现永久代的内存溢出。最典型的场景就是,在 jsp 页面比较多的情况,容易出现永久代内存溢出。

Metaspace(元空间)

其实,移除永久代的工作从JDK1.7就开始了。JDK1.7中,存储在永久代的部分数据就已经转移到了Java Heap或者是 Native Heap。但永久代仍存在于JDK1.7中,并没完全移除,譬如符号引用(Symbols)转移到了native heap;字面量(interned strings)转移到了java heap;类的静态变量(class statics)转移到了Java heap。

元空间的本质和永久代类似,都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于:元空间并不在虚拟机中,而是使用本地内存。因此,默认情况下,元空间的大小仅受本地内存限制,但可以通过以下参数来指定元空间的大小:

-XX:MetaspaceSize,初始空间大小,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,就适当降低该值;如果释放了很少的空间,那么在不超过MaxMetaspaceSize时,适当提高该值。

-XX:MaxMetaspaceSize,最大空间,默认是没有限制的。

除了上面两个指定大小的选项以外,还有两个与 GC 相关的属性:

-XX:MinMetaspaceFreeRatio,在GC之后,最小的Metaspace剩余空间容量的百分比,减少为分配空间所导致的垃圾收集

-XX:MaxMetaspaceFreeRatio,在GC之后,最大的Metaspace剩余空间容量的百分比,减少为释放空间所导致的垃圾收集

总结

为什么从永久代切换到元空间?

1)字符串存在永久代中,容易出现性能问题和内存溢出。

2)类及方法的信息等比较难确定其大小,因此对于永久代的大小指定比较困难,太小容易出现永久代溢出,太大则容易导致老年代溢出。

3)永久代会为 GC 带来不必要的复杂度,并且回收效率偏低。

参考:

  1. http://www.cnblogs.com/paddix/p/5309550.html

  2. 《深入理解Java虚拟机》第二版 –周志明

    原文作者:java虚拟机
    原文地址: https://blog.csdn.net/sinat_29899265/article/details/81002380
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