了解JVM內存結構的目的

在Java的開發(fā)過程中，因為有JVM自動內存管理機制，不再需要像在C、C++開發(fā)那樣手動釋放對象的內存空間，不容易出現(xiàn)內存泄漏和內存溢出的問題。但是，正是由于把內存管理的權利交給了JVM，一旦出現(xiàn)內存泄漏和內存溢出方面的問題，如果不了解JVM是如何使用內存的，不了解JVM的內存結構是什么樣子的，就很難找到問題的根源，就更難以解決問題。

JVM內存結構簡介

在JVM所管理的內存中，大致分為以下幾個運行時數據區(qū)域：

• 程序計數器：當前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。
• 虛擬機棧：Java方法執(zhí)行的內存模型，用于存儲局部變量表、操作數棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息。
• 本地方法棧：本地方法執(zhí)行的內存模型，和虛擬機棧非常相似，其區(qū)別是本地方法棧為JVM使用到的Native方法服務。
• 堆：用于存儲對象實例，是垃圾收集器管理的主要區(qū)域。
• 方法區(qū)：用于存儲已被JVM加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼等數據。

其中，黃色區(qū)域的程序計數器、虛擬機棧和本地方法棧是線程私有的，紅色區(qū)域的堆和方法區(qū)是線程共享的。下面我們逐一詳細分析各個區(qū)域。

程序計數器

程序計數器（Program Counter Register）是一塊較小的內存空間，它記錄了當前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號。在JVM的概念模型里，字節(jié)碼解釋器工作時就是通過改變它的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉、異常處理、線程恢復等基礎功能都是依賴它來完成的。

通過線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時間，實現(xiàn)了JVM的多線程操作。在任何一個確定的時刻，一個處理器（對于多核處理器來說是一個內核）只會執(zhí)行一條線程中的指令。因此，為了線程切換后能恢復到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要有一個獨立的程序計數器，各條線程之間的計數器互不影響，獨立存儲，稱這類內存區(qū)域為“線程私有”的內存。

如果線程正在執(zhí)行的是一個Java方法，那么它記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機字節(jié)碼指令的地址；如果正在執(zhí)行的是Natvie方法，它的值就為空（Undefined）。此內存區(qū)域是唯一一個在Java虛擬機規(guī)范中沒有規(guī)定任何OutOfMemoryError情況的區(qū)域。

虛擬機棧

與程序計數器一樣，Java虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）也是線程私有的，如上圖每一個線程都有自己的虛擬機棧，它的生命周期與線程相同，當線程被創(chuàng)建時，虛擬機棧也同時被創(chuàng)建；當線程被銷毀時，虛擬機棧也同時被銷毀。

在線程內部，每個方法被執(zhí)行的時候都會同時創(chuàng)建一個棧幀（Stack Frame），用于存儲局部變量表、操作數棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息，如上圖。每一個方法被調用直至執(zhí)行完成的過程，就對應著一個棧幀在虛擬機棧中從入棧到出棧的過程。

其中棧幀中的局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數據類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對象引用（reference類型）和returnAddress類型（指向了一條字節(jié)碼指令的地址）。

其中64位長度的long和double類型的數據會占用2個局部變量空間（Slot），其余的數據類型只占用1個。局部變量表所需的內存空間在編譯期間完成分配，當進入一個方法時，這個方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的，在方法運行期間不會改變局部變量表的大小。

在Java虛擬機規(guī)范中，對這個區(qū)域規(guī)定了兩種異常狀況：

如果線程請求的棧深度大于虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常，讓我們寫一段代碼，使其拋出該異常：

/**
 * VM Args: -Xss128k
 */
public class JVMStackSOF {
	private int stackLength = 1;

	public void stackLeak() {
		stackLength++;
		stackLeak();
	}

	public static void main(String[] args) {
		JVMStackSOF sof = new JVMStackSOF();
		try {
			sof.stackLeak();
		} catch (Throwable e) {
			System.out.println("Stack length:" + sof.stackLength);
			throw e;
		}
	}
}

在運行之前，設置JVM的參數為-Xss128k，運行結果如下：

Stack length:1002
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
    at OneMoreStudy.JVMStackSOF.stackLeak(JVMStackSOF.java:10)
    at OneMoreStudy.JVMStackSOF.stackLeak(JVMStackSOF.java:11)
    at OneMoreStudy.JVMStackSOF.stackLeak(JVMStackSOF.java:11)
......

棧的深度達到1002時，拋出了StackOverflowError異常。

如果虛擬機?？梢詣討B(tài)擴展，當擴展時無法申請到足夠的內存時會拋出OutOfMemoryError異常，還是讓我們寫一段代碼，使其拋出該異常：

/**
 * VM Args: -Xss2M
 */
public class JVMStackOOM {
	private void dontStop() {
		while (true) {

		}
	}

	public void stackLeakByThread() {
		while (true) {
			Thread t = new Thread(new Runnable() {
				public void run() {
					dontStop();
				}
			});
			t.start();
		}
	}

	public static void main(String[] args) {
		JVMStackOOM oom = new JVMStackOOM();
		oom.stackLeakByThread();
	}
}

這段代碼會創(chuàng)建出無限多的線程，因為Java的線程會映射系統(tǒng)的內核線程上，所以會造成CPU占用率100%，系統(tǒng)假死等現(xiàn)象，請謹慎運行。在運行之前，設置JVM的參數為-Xss2M，運行很長一段時間后結果如下：

Exception in thread "main" java.lang.OutMemoryError: unable to create new native thread
    at java.lang.Thread.start0(Native Method)
    at java.lang.Thread.start(Unknown Source)
    at OneMoreStudy.JVMStackOOM.stackLeakByThread(JVMStackOOM.java:18)
    at OneMoreStudy.JVMStackOOM.main(JVMStackOOM.java:24)

本地方法棧

本地方法棧（Native Method Stacks）與虛擬機棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，其區(qū)別不過是虛擬機棧為虛擬機執(zhí)行Java方法（也就是字節(jié)碼）服務，而本地方法棧則是為虛擬機使用到的Native方法服務。

虛擬機規(guī)范中對本地方法棧中的方法使用的語言、使用方式與數據結構并沒有強制規(guī)定，所以具體的虛擬機可以自由實現(xiàn)它。甚至有的虛擬機（比如Sun HotSpot虛擬機）直接就把本地方法棧和虛擬機棧合二為一。與虛擬機棧一樣，本地方法棧區(qū)域也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

堆

Java堆（Java Heap）是Java虛擬機所管理的內存中最大的一塊。它是被所有線程共享的一塊內存區(qū)域，在虛擬機啟動時創(chuàng)建。它就是用來存放對象實例的，幾乎所有的對象實例都在這里分配內存。

堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，如果從內存回收的角度看，由于現(xiàn)在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆中還可以細分為：新生代和老年代；再細致一點的有Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間等。從內存分配的角度看，線程共享的堆中又可能劃分出多個線程私有的分配緩存區(qū)（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。

根據Java虛擬機規(guī)范的規(guī)定，Java堆可以處于物理上不連續(xù)的內存空間中，只要邏輯上是連續(xù)的即可，就像我們的磁盤空間一樣。在實現(xiàn)時，既可以實現(xiàn)成固定大小的，也可以是可擴展的，不過當前主流的虛擬機都是按照可擴展來實現(xiàn)的（通過-Xmx和-Xms控制）。

如果在堆中沒有內存完成實例分配，并且堆也無法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError異常，再讓我們寫一段代碼，使其拋出該異常：

/*
 * VM Args: -Xms20M -Xmx20M
 */
public class HeapOOM {
	static class OOMObject{
		
	}
	
	public static void main(String[] args){
		List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();
		
		while(true){
			//把對象實例放入列表中，
			//使其一直被引用，不會被垃圾回收
			list.add(new OOMObject());
		}
	}
}

在運行之前，設置JVM的參數為-Xms20M -Xmx20M，運行結果如下：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.Arrays.copyOf(Unknown Source)
    at java.util.Arrays.copyOf(Unknown Source)
    at java.util.ArrayList.grow(Unknown Source)
    at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(Unknown Source)
    at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(Unknown Source)
    at java.util.ArrayList.add(Unknown Source)
    at OneMoreStudy.HeapOOM.main(HeapOOM.java:18)
 

方法區(qū)

方法區(qū)（Method Area）與Java堆一樣，是各個線程共享的內存區(qū)域，它用于存儲已被JVM加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼等數據。

對于習慣在HotSpot虛擬機上開發(fā)和部署程序的開發(fā)者來說，很多人愿意把方法區(qū)稱為“永久代”（Permanent Generation），本質上兩者并不等價，僅僅是因為HotSpot虛擬機的設計團隊選擇把GC分代收集擴展至方法區(qū)，或者說使用永久代來實現(xiàn)方法區(qū)而已。在JDK7的HotSpot中，已經把原本在永久代的字符串常量池移出，在JDK8的HotSpot中，已經沒有永久代的存在了，而是采用了新的內存空間：元空間（Metaspace）。

JVM規(guī)范對這個區(qū)域的限制非常寬松，除了和Java堆一樣不需要連續(xù)的內存和可以選擇固定大小或者可擴展外，還可以選擇不實現(xiàn)垃圾收集。相對而言，垃圾收集行為在這個區(qū)域是比較少出現(xiàn)的，但并不是數據進入了方法區(qū)就被一直存放。這個區(qū)域的內存回收目標主要是針對常量池的回收和對類型的卸載，一般來說這個區(qū)域的回收“成績”比較難以令人滿意，尤其是類型的卸載，條件相當苛刻，但是這部分區(qū)域的回收確實是有必要的。

根據Java虛擬機規(guī)范的規(guī)定，當方法區(qū)無法滿足內存分配需求時，將拋出OutOfMemoryError異常。再讓我們寫一段代碼，嘗試使其拋出該異常：

/*
 * VM Args: -XX:PermSize=2M -XX:MaxPermSize=2M
 */
public class RuntimeConstantPoolOOM {
	public static void main(String[] args) {
		List<String> list = new ArrayList<String>();
		for (int i = 0; i < 100000; i++) {
			System.out.println(i);
			//將i轉化為字符串，
			//并且調用intern()，把字符串放在運行時常量池
			list.add(String.valueOf(i).intern());
		}
	}
}

在運行之前，設置JVM的參數為-XX:PermSize=2M -XX:MaxPermSize=2M。

在JDK6中運行拋出了老年代的OutOfMemoryError異常，結果如下：

......
35813
35814
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
        at java.lang.String.intern(Native Method)
        at OneMoreStudy.RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java:12)
 

在JDK7中運行，循環(huán)全部完畢后，也沒有拋出任何異常，結果如下：

......
99996
99997
99998
99999

同一段代碼，在不同版本JDK中的運行結果為什么是不同的呢？這是因為：在JDK6中，字符串常量池還在永久代中，而在JDK7中，已經把原本在永久代的字符串常量池移出了。

再再讓我們寫一段代碼，嘗試使其拋出該異常：

/*
 * VM Args: -XX:PermSize=2M -XX:MaxPermSize=2M
 */
public class MethodAreaOOM {
	static class OOMObject {

	}
	
	public static void main(String[] args) {
		for (int i = 0; i < 300; i++) {
			System.out.println(i);
			createNewClass();
		}
	}

	private static void createNewClass() {
		//這里使用了CGLIB，動態(tài)創(chuàng)建類，載入方法區(qū)
		Enhancer enhancer = new Enhancer();
		enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);
		enhancer.setUseCache(false);
		enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {

			@Override
			public Object intercept(Object obj, Method method,
					Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
				return proxy.invokeSuper(obj, args);
			}
		});
		enhancer.create();
	}
}

在運行之前，設置JVM的參數為-XX:PermSize=2M -XX:MaxPermSize=2M。

在JDK6中運行拋出了老年代的OutOfMemoryError異常，，結果如下：

......
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
        at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
        at java.lang.ClassLoader.defineClassCond(Unknown Source)
        at java.lang.ClassLoader.defineClass(Unknown Source)
        ... 12 more

在JDK7中運行也拋出了OutOfMemoryError異常，結果如下：

Exception in thread "main"
Exception: java.lang.OutOfMemoryError thrown from the UncaughtExceptionHandler in thread "main"

在JDK8中運行，循環(huán)全部完畢后，也沒有拋出任何異常，結果如下：

......
298
299
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option PermSize=2M; support was removed in 8.0
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option MaxPermSize=2M; support was removed in 8.0

同一段代碼，在不同版本JDK中的運行結果為什么是不同的呢？這是因為：在JDK6和JDK7中，永久代仍然存在，而在JDK8中，已經沒有永久代的存在了，而是采用了新的內存空間：元空間，并且JVM參數PermSize和MaxPermSize也被移出了。

總結

在JVM所管理的內存中，大致分為：程序計數器、虛擬機棧、本地方法棧、堆和方法區(qū)。程序計數器是當前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。虛擬機棧是Java方法執(zhí)行的內存模型，用于存儲局部變量表、操作數棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息。本地方法棧是本地方法執(zhí)行的內存模型，和虛擬機棧非常相似，其區(qū)別是本地方法棧為JVM使用到的Native方法服務。堆是用于存儲對象實例的，是垃圾收集器管理的主要區(qū)域。方法區(qū)用于存儲已被JVM加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼等數據。

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