圖文并茂：JVM 內(nèi)存布局詳解

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內(nèi)存布局

JVM內(nèi)存布局規(guī)定了Java在運(yùn)行過(guò)程中內(nèi)存申請(qǐng)、分配、管理的策略，保證了JVM的穩(wěn)定高效運(yùn)行。不同的JVM對(duì)于內(nèi)存的劃分方式和管理機(jī)制存在部分差異。結(jié)合JVM虛擬機(jī)規(guī)范，一起來(lái)探討jVM的內(nèi)存布局。如下圖所示：

Heap 堆區(qū)

Heap堆區(qū)是Java發(fā)生OOM（Out Of Memory）故障的地方，堆中存儲(chǔ)著我們平時(shí)創(chuàng)建的實(shí)例對(duì)象，最終這些不再使用的對(duì)象會(huì)被垃圾收集器回收掉，而且堆是線程共享的。一般情況下，堆所占用的內(nèi)存空間是JVM內(nèi)存區(qū)域中最大的，我們?cè)谄綍r(shí)編碼中，創(chuàng)建對(duì)象如果不加以克制，內(nèi)存空間也會(huì)被耗盡。

堆的內(nèi)存空間是可以自定義大小的，同時(shí)也支持在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)修改，通過(guò) -Xms 、-Xmx 這兩參數(shù)去改變堆的初始值和最大值。-X指的是JVM運(yùn)行參數(shù)，ms 是memory start的簡(jiǎn)稱，代表的是最小堆容量，mx是memory max的簡(jiǎn)稱，代表的是最大堆容量；如 -Xms256M代表堆的初始值是256M，-Xmx1024M代表堆的最大值是1024M。

由于堆的內(nèi)存空間是可以動(dòng)態(tài)調(diào)整的，所以在服務(wù)器運(yùn)行的時(shí)候，請(qǐng)求流量的不確定性可能會(huì)導(dǎo)致我們堆的內(nèi)存空間不斷調(diào)整，會(huì)增加服務(wù)器的壓力，所以我們一般都會(huì)將JVM的Xms和Xmx的值設(shè)置成一樣，同樣也為了避免在GC（垃圾回收）之后調(diào)整堆大小時(shí)帶來(lái)的額外壓力。

堆區(qū)分為兩大區(qū)：Young區(qū)和Old區(qū)，又稱新生代和老年代。對(duì)象剛創(chuàng)建的時(shí)候，會(huì)被創(chuàng)建在新生代，到一定階段之后會(huì)移送至老年代，如果創(chuàng)建了一個(gè)新生代無(wú)法容納的新對(duì)象，那么這個(gè)新對(duì)象也可以創(chuàng)建到老年代。如上圖所示。

新生代分為1個(gè)Eden區(qū)和2個(gè)S區(qū)，S代表Survivor。大部分的對(duì)象會(huì)在Eden區(qū)中生成，當(dāng)Eden區(qū)沒(méi)有足夠的空間容納新對(duì)象時(shí)，會(huì)觸發(fā)Young Garbage Collection，即YGC。在Eden區(qū)進(jìn)行垃圾清除時(shí)，它的策略是會(huì)把沒(méi)有引用的對(duì)象直接給回收掉，還有引用的對(duì)象會(huì)被移送到Survivor區(qū)。

Survivor區(qū)有S0和S1兩個(gè)內(nèi)存空間，每次進(jìn)行YGC的時(shí)候，會(huì)將存活的對(duì)象復(fù)制到未使用的那塊內(nèi)存空間，然后將當(dāng)前正在使用的空間完全清除掉，再交換兩個(gè)空間的使用狀況。如果YGC要移送的對(duì)象Survivor區(qū)無(wú)法容納，那么就會(huì)將該對(duì)象直接移交給老年代。

上面說(shuō)了，到一定階段的對(duì)象會(huì)移送到老年區(qū)，這是什么意思呢？每一個(gè)對(duì)象都有一個(gè)計(jì)數(shù)器，當(dāng)每次進(jìn)行YGC的時(shí)候，都會(huì) +1。通過(guò)-XX:MAXTenuringThrehold參數(shù)可以配置當(dāng)計(jì)數(shù)器的值到達(dá)某個(gè)閾值時(shí)，對(duì)象就會(huì)從新生代移送至老年代。

該參數(shù)的默認(rèn)值為15，也就是說(shuō)對(duì)象在Survivor區(qū)中的S0和S1內(nèi)存空間交換的次數(shù)累加到15次之后，就會(huì)移送至老年代。如果參數(shù)配置為1，那么創(chuàng)建的對(duì)象就會(huì)直接移送至老年代。具體的對(duì)象分配即回收流程可觀看下圖所示。

如果Survivor區(qū)無(wú)法放下，或者創(chuàng)建了一個(gè)超大新對(duì)象，Eden和Old區(qū)都無(wú)法存放，就會(huì)觸發(fā)Full Garbage Collection，即FGG，便再嘗試放在Old區(qū)，如果還是容納不了，就會(huì)拋出OOM異常。在不同的JVM實(shí)現(xiàn)及不同的回收機(jī)制中，堆內(nèi)存的劃分方式是不一樣的。

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Metaspace 元空間

在JDK8版本中，元空間的前身Pern區(qū)已經(jīng)被淘汰。在JDK7及之前的版本中，Hotspot還有Pern區(qū)，翻譯為永久代，在啟動(dòng)時(shí)就已經(jīng)確定了大小，難以進(jìn)行調(diào)優(yōu)，并且只有FGC時(shí)會(huì)移動(dòng)類元信息。不同于之前版本的Pern（永久代），JDK8的元空間已經(jīng)在本地內(nèi)存中進(jìn)行分配，并且，Pern區(qū)中的所有內(nèi)容中字符串常量移至堆內(nèi)存，其他內(nèi)容也包括了類元信息、字段、靜態(tài)屬性、方法、常量等等都移至元空間內(nèi)。

JVM Stacks 虛擬機(jī)棧

棧（Stack）是一個(gè)先進(jìn)后出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，先進(jìn)后出怎么理解？類似于我們平時(shí)打羽毛球時(shí)，裝羽毛球的球筒，第一個(gè)先放進(jìn)去的往往最后一個(gè)才能拿出來(lái)，最后放進(jìn)去的一個(gè)最先拿出來(lái)。

相對(duì)于基于寄存器的運(yùn)行環(huán)境來(lái)說(shuō)，JVM是基于棧結(jié)構(gòu)的運(yùn)行環(huán)境。因?yàn)闂＝Y(jié)構(gòu)移植性更好，可控性更強(qiáng)。JVM的虛擬機(jī)棧是描述Java方法執(zhí)行的內(nèi)存區(qū)域，并且是線程私有的。棧中的元素用于支持虛擬機(jī)進(jìn)行方法調(diào)用，每個(gè)方法從開(kāi)始調(diào)用到執(zhí)行完成的過(guò)程，就是棧幀從入幀到出幀的過(guò)程。

在活動(dòng)線程中，只有位于棧頂?shù)膸攀怯行У模Q為當(dāng)前棧幀。正在執(zhí)行的方法稱為當(dāng)前方法，棧幀是方法運(yùn)行的基本結(jié)構(gòu)。在執(zhí)行引擎運(yùn)行時(shí)，所有指令都只能針對(duì)當(dāng)前棧幀進(jìn)行操作。而StackOverflowError表示請(qǐng)求的棧溢出，導(dǎo)致內(nèi)存耗盡，通常出現(xiàn)在遞歸方法中。如果把JVM當(dāng)做一個(gè)棋盤，虛擬機(jī)棧就是棋盤上的將/帥，當(dāng)前方法的棧幀就是棋子能走的區(qū)域，而操作棧就是每一個(gè)棋子。操作棧的壓棧和出棧如下圖所示：

虛擬機(jī)棧通過(guò)壓棧和出棧的方式，對(duì)每個(gè)方法對(duì)應(yīng)的活動(dòng)棧幀進(jìn)行運(yùn)算處理，方法正常執(zhí)行結(jié)束，肯定會(huì)跳轉(zhuǎn)到另外一個(gè)棧幀上。在執(zhí)行的過(guò)程中，如果出現(xiàn)異常，會(huì)進(jìn)行異常回溯，返回地址通過(guò)異常處理表確定。棧幀在整個(gè)JVM體系中的地位頗高，包括局部變量表、操作棧、動(dòng)態(tài)連接、方法返回地址等。

下面對(duì)棧幀的各個(gè)活動(dòng)棧幀進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析

（1）局部變量表

局部變量表是存放方法參數(shù)和局部變量的區(qū)域。我們都知道，類屬性變量一共要經(jīng)歷兩個(gè)階段，分為準(zhǔn)備階段和初始化階段，而局部變量是沒(méi)有準(zhǔn)備階段，只有初始化階段，而且必須是顯示的。如果是非靜態(tài)方法，則在index[0]位置上存儲(chǔ)的是方法所屬對(duì)象的實(shí)例引用，隨后存儲(chǔ)的是參數(shù)和局部變量。字節(jié)碼指令中的STORE指令就是將操作棧中計(jì)算完成的局部變量寫回局部變量表的存儲(chǔ)空間內(nèi)。

（2）操作棧

操作棧是一個(gè)初始狀態(tài)為空的桶式結(jié)構(gòu)棧。在方法執(zhí)行過(guò)程中，會(huì)有各種指令往棧中寫入和提取信息。JVM的執(zhí)行引擎是基于棧的執(zhí)行引擎，其中的棧指的就是操作棧。字節(jié)碼指令集的定義都是基于棧類型的，棧的深度在方法元信息的stack屬性中，下面就通過(guò)一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明下操作棧與局部變量表的交互：

public int add() {
    int x = 10;
    int y = 20;
    int z = x + y;

    return z;
}

字節(jié)碼操作順序如下：

public int add();
  Code:
     0: bipush        10 // 常量 10 壓入操作棧
     2: istore_1     // 并保存到局部變量表的 slot_1 中  （第 1 處）
     3: bipush        20 // 常量 20 壓入操作棧
     5: istore_2     // 并保存到局部變量表的 slot_2 中
     6: iload_1      // 把局部變量表的 slot_1 元素（int x）壓入操作棧
     7: iload_2      // 把局部變量表的 slot_2 元素（int y）壓入操作棧
     8: iadd      // 把上方的兩個(gè)數(shù)都取出來(lái)，在 CPU 里加一下，并壓回操作棧的棧頂
     9: istore_3     // 把棧頂?shù)慕Y(jié)果存儲(chǔ)到局部變量表的 slot_3 中
    10: iload_3
    11: ireturn      // 返回棧頂元素值

第 1 處說(shuō)明：局部變量表就像一個(gè)快遞柜，有著很多的柜子，依次編號(hào)為1,2,3，...，n，字節(jié)碼指令 istore_1 就代表打開(kāi)了 1 號(hào)柜子，再把棧頂中的值 10 存進(jìn)去。棧就好如一個(gè)桶，任何時(shí)候只能對(duì)桶口的元素進(jìn)行操作，所以數(shù)據(jù)只能在棧頂進(jìn)行存取。部分指令可以直接在柜子里面直接進(jìn)行，比如 iinc指令，直接對(duì)抽屜里的數(shù)值進(jìn)行 +1操作。我們經(jīng)常遇到的 i++ 和 ++i，通過(guò)字節(jié)碼對(duì)比起來(lái)，答案一下子就一目了然了。如下表格所示：

左列中，iload_1 從局部變量表的第1號(hào)柜子取出一個(gè)數(shù)，壓入棧頂，下一步直接在柜子里實(shí)現(xiàn) + 1的操作，而這個(gè)操作時(shí)對(duì)棧頂元素的值沒(méi)有任何影響，所以 istore_2 只是把棧頂元素賦值給 a，而右列，它是先在柜子里面進(jìn)行 +1的操作，然后再通過(guò) iload_1 把第1號(hào)柜子里的數(shù)壓入棧頂，所以istore_2賦給a的值是 +1 之后的值。擴(kuò)展下，i++ 并非是原子操作。即使通過(guò)volatile關(guān)鍵字來(lái)修飾，多線程情況下，還是會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)互相覆蓋的情況。

（3）動(dòng)態(tài)連接

每個(gè)棧幀中包含一個(gè)在常量池中對(duì)當(dāng)前方法的引用，目的是支持方法調(diào)用過(guò)程的動(dòng)態(tài)連接。

（4）方法返回地址

方法執(zhí)行時(shí)有兩種退出情況：第一，正常退出，即正常執(zhí)行到任何方法的返回字節(jié)碼指令，如 RETURN、IRETURN、ARETURN等；第二，異常退出。無(wú)論何種退出情況，都將返回方法當(dāng)前被調(diào)用的位置。方法退出的過(guò)程相當(dāng)于彈出當(dāng)前棧幀，而退出可能有三種方式：

• 返回值壓入上層調(diào)用棧幀。
• 異常信息拋給能夠處理的棧幀。
• PC 計(jì)數(shù)器指向方法調(diào)用后的下一條指令。

Native Method Stacks（本地方法棧）

本地方法棧（Native Method Stack）在JVM內(nèi)存布局中，也是線程對(duì)象私有的，但是虛擬機(jī)棧“主內(nèi)”，而本地方法棧“主外”。這個(gè)“內(nèi)外”是針對(duì)JVM來(lái)說(shuō)的，本地方法棧為Native方法服務(wù)。線程開(kāi)始調(diào)用本地方法時(shí)，會(huì)進(jìn)入一個(gè)不再受JVM約束的世界。本地方法可以通過(guò)JVNI（Java Native Interface）來(lái)訪問(wèn)虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)區(qū)，甚至可以調(diào)用寄存器，具有和JVM相同的能力和權(quán)限。當(dāng)大量本地方法出現(xiàn)時(shí)，勢(shì)必會(huì)削弱JVM對(duì)系統(tǒng)的控制力，因?yàn)樗某鲥e(cuò)信息都比較黑盒，難以捉摸。對(duì)于內(nèi)存不足的情況，本地方法棧還是會(huì)拋出 native heap OutOfMemory。

重點(diǎn)說(shuō)下JNI類本地方法，最常用的本地方法應(yīng)該是System.currentTimeMills()，JNI使Java深度使用操作系統(tǒng)的特性功能，復(fù)用非Java代碼。但是在項(xiàng)目過(guò)程中，如果大量使用其他語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)JNI，就會(huì)喪失跨平臺(tái)特性，威脅到程序運(yùn)行的穩(wěn)定性。假如需要與本地代碼交互，就可以用中間標(biāo)準(zhǔn)框架來(lái)進(jìn)行解耦，這樣即使本地方法崩潰也不至于影響到JVM的穩(wěn)定。

Program Counter Register （程序計(jì)數(shù)寄存器）

在程序計(jì)數(shù)寄存器（Program Counter Register，PC）中，Register的命名源于CPU的寄存器，CPU只有把數(shù)據(jù)裝載到寄存器才能夠運(yùn)行。寄存器存儲(chǔ)指令相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)信息，由于CPU時(shí)間片輪限制，眾多線程在并發(fā)執(zhí)行過(guò)程中，任何一個(gè)確定的時(shí)刻，一個(gè)處理器或者多核處理器中的一個(gè)內(nèi)核，只會(huì)執(zhí)行某個(gè)線程中的一個(gè)指令。

這樣必然會(huì)導(dǎo)致經(jīng)常中斷或恢復(fù)，如何才能保證分毫無(wú)差呢？每個(gè)線程在創(chuàng)建之后，都會(huì)產(chǎn)生自己的程序計(jì)數(shù)器和棧幀，程序計(jì)數(shù)器用來(lái)存放執(zhí)行指令的偏移量和行號(hào)指示器等，線程執(zhí)行或恢復(fù)都要依賴程序計(jì)數(shù)器。程序計(jì)數(shù)器在各個(gè)線程之間互不影響，此區(qū)域也不會(huì)發(fā)生內(nèi)存溢出異常。

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小結(jié)

最后，從線程的角度來(lái)看，堆和元空間是所有線程共享的，而虛擬機(jī)棧、本地方法棧、程序計(jì)數(shù)器是線程內(nèi)部私有的，我們以線程的角度再來(lái)看看Java的內(nèi)存結(jié)構(gòu)圖：