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jvm专题 - 内存结构

IT知识专题内存结构

莫问天涯路几重，轻衫侧帽且从容。这篇文章主要讲述jvm专题 - 内存结构相关的知识，希望能为你提供帮助。

本章笔者会重新组织下语言，着重讲下JVM的内存结构。此章会贯穿JDK1.6到JDK1.8的内容，最后会阐述下类初始化的过程，从原理上了解JVM的内存分配机制，本章内容比较基础但非常重要，它是优化代码和JVM调优的基本一定要牢记。后续会专题讲解JVM调优的实操，本章相当于授渔，后续章节相当于授鱼吧。
      JVM通俗来讲有三种不同的解释：1、一套抽象的规范；2、一个具体的规范实现，分为硬件和软件实现；3、一个运行中的java实例。正常我们指的是第三种：运行在一个jvm实现上的java程序。在同一计算机上同时运行三个java程序，将得到三个java虚拟机实例，每个java程序都运行于它自己的java VM中。


一、概述1.1、体系结构

1.2、内存模型

  • 不同的虚拟机有不同的内存实现机制，实现逻辑大概和上图一样，也可以认为上图就是事实上的标准。每个JVM实例都有一个方法区和一个堆区，它们是可以被此JVM实例中所有线程共享的，当JVM装载一个.class文件时，会把从.class文件中解析的二进制数据放在方法区中，把程序运行时把所有在运行时创建的对象放在堆中。
  • 当一个新线程创建时，都将得到一个私有的PC寄存器（程序计数器）和一个栈，PC寄存器的值总是指示下一条将被执行的指令，而栈总是存储此线程中java方法调用的状态，包括局部变量、参数、返回值及中间结果等。每个线程的栈区是私有的，任何线程都不能访问另一个线程的PC寄存器和栈。
  • java栈是由很多帧组成的，java VM没有寄存器，其指令集使用java栈来存储中间数据，目的是为了保持java VM的指令集紧凑，也有助于VM实现动态编译器和即时编辑器的代码优化。
  • 本地方法的调用的状态，是以某种依赖于具体实现的方式存储在本地方法栈中，也可能是其它相关的内存区，因为是依赖java VM的具体实现的。
二、内存模型详解2.1、共享内存区
2.1.1、方法区即我们常说的永久代(Permanent Generation), 用于存储被 JVM 加载的类信息、常量、静 态变量以及编译器编译后的代码等数据. HotSpot VM 把GC分代收集扩展至方法区, 使用 Java 堆的永久代来实现方法区, 这样 HotSpot 的垃圾收集器就可以像管理java堆一样管理这部分内存, 而不必为方法区开发专门的内存管理器(永久带的内存回收的主要目标是针对常量池的回收和类型的卸载, 因此收益一般很小)。一般主要回收：
  • 常量：只在常量池中的常量没有被任何地方引用，就可以回收，比如String，所以有时对String的大量操作要谨慎；
  • 元数据：一般是应对的动态生成场景而设计的，没有被任何地方引用就会回收；
运行时常量池(Constant Pool Table)，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。java 虚拟机对.class文件的每一部分(自然也包括常量 池)的格式都有严格的规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求，这样才会被虚拟机认可、装载和执行。
方法区是所有线程共享的，需要注意线程安全的问题。有几点需要说明：1、方法区可以不是连续的内存空间；2、类变量也就是static变量是由所有实例共享的，访问它不需要实例化一个类是直接从方法区中取得的；3、用final修饰的类变量和普通的类变量不同，当访问final类型的类变量时java VM会把final复制一份到自己的类型常量池中。
在1.6和1.7这块区域称为永久区由-XX:PerSize和-XX:MaxPerSize（默认64M）来指定，在1.8中去掉了永久区用-XX:MaxMetaspaceSize来代替（一个称为“元数据区”(元空间)的区域），如果不指定由会直接耗掉物理内存大小，在1.8中不建议指定其大小（除非存在应用混部的情况）。元空间的本质和永久代类似，它们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。类的元数据放入 native memory, 字符串池和类的静态变量放入 java 堆中，加载多少类的元数据就不再由 MaxPermSize 控制, 而由系统的实际可用空间来控制。
2.1.2、Heap堆区      java程序在运行时创建的所有实例和数组（在java VM中数组是当做一个对象）都存放在堆中。一个java VM只有一个堆空间，它被所有线程共享的，同样需要注意线程安全的问题。在堆中有创建新对象的指令、但没有释放对象的指令码，在程序运行时堆和方法区都是可以动态扩展的。堆从 GC 的角度还可以细分为: 新生代(Eden 区、From Survivor 区和 To Survivor 区)和老年代，新生代分三个区是为了减少碎片，GC一次只会回收eden区和其中一个survivor区。默认的堆区结构和内存分配如下图所示：

Young区内存分配
  • 对象在Eden Space创建（正常情况下如此），当Eden Space满了的时候，gc就把所有在Eden Space中的对象扫描一次，把所有有效的对象复制到第一个Survivor Space，同时把无效的对象所占用的空间释放掉；
  • 当Eden Space再次变满了的时候，就启动移动程序把Eden Space中有效的对象复制到第二个Survivor Space，同时，也将第一个Survivor Space中的有效对象复制到第二个Survivor Space。如果填充到第二个Survivor Space中的有效对象被第一个Survivor Space或Eden Space中的对象引用，那么这些对象就是长期存在的，此时这些对象将被复制到Permanent Generation。若垃圾收集器依据这种小幅度的调整收集不能腾出足够的空间，就会运行Full GC，此时JVM GC停止（此处的停止可参考STW机制是一个相对的停止）所有在堆中运行的线程并执行清除动作。
Old区内存分配
  • 初创对象全在eden区，只有GC才会离开此区域；但当对象体积超过PretenureSizeThreashold参数设置的字节数，会绕过eden, from, to区直接在老年代中创建 ；
  • eden中对象是根据年龄来算的，一次GC年龄+1，由MaxTenuringThreshold，默认值为15，当超过15次时就会移到老年代，另一个控制参数是TargetSurvivorRatio，指新生区的使用率，默认为50%，如果GC后超过50%使用率，也会有一部分对象直接放到老年代；注意上述提到的age=15是一个上限值，jvm会根据实际情况动态调整此值。
Tlab内存分配全称，线程本地分配缓存。由于堆是共享的，多个线程同时分配空间时会存在竞争，为了加快内存分配。每个线程都有一个tlab区，它直接占用的是eden空间，默认开启，也可以被禁用，下图是内存分配的全过程：

LABRefillWasteFraction默认值为tlab区的64分之1大小；JVM默认会自动调整TLAB和LABRefillWasteFraction的大小，可通过ResizeTLAB来禁用此功能并可用TLABSize来手动指定大小，实际不建议调整。
2.1.3、示例：堆区的典型设置
java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k
-XX:NewRatio=4 -XX:SurvivorRatio=4
-XX:MaxPermSize=16m -XX:MaxTenuringThreshold=0

  • -Xmx3550m：设置JVM最大可用内存为3550M；
  • -Xms3550m：此值可以设置与-Xmx相同，以避免每次垃圾回收完成后JVM重新分配内存；
  • -Xmn2g：设置年轻代大小为2G。整个JVM内存大小=年轻代大小 + 年老代大小 + 持久代大小。持久代默认大小为64m，所以增大年轻代后，将会减小年老代大小。此值对系统性能影响较大，Sun官方推荐配置为整个堆的3/8；
  • -Xss128k：设置每个线程的堆栈大小。JDK5.0以后每个线程堆栈大小为1M，以前每个线程堆栈大小为256K。可根据应用的线程所需内存大小进行调整。在相同物理内存下，减小这个值能生成更多的线程。但是操作系统对一个进程内的线程数还是有限制的，不能无限生成，经验值在3000~5000左右；
  • -XX:NewRatio=4:设置年轻代（包括Eden和两个Survivor区）与年老代的比值（除去持久代）。设置为4，则年轻代与年老代所占比值为1：4，年轻代占整个堆栈的1/5；
  • -XX:SurvivorRatio=4：设置年轻代中Eden区与Survivor区的大小比值。设置为4，则两个Survivor区与一个Eden区的比值为2:4，一个Survivor区占整个年轻代的1/6；
  • -XX:MaxPermSize=16m:设置持久代大小为16m。JDK1.8取消了PermGen，取而代之的是Metaspace，所以PermSize和MaxPermSize参数失效，取而代之的是-XX:MetaspaceSize -XX:MaxMetaspaceSize；
  • -XX:MaxTenuringThreshold=0：设置垃圾最大年龄。如果设置为0的话，则年轻代对象不经过Survivor区，直接进入年老代。对于年老代比较多的应用，可以提高效率。如果将此值设置为一个较大值，则年轻代对象会在Survivor区进行多次复制，这样可以增加对象再年轻代的存活时间，增加在年轻代即被回收的概论。
2.2、私有内存区
2.2.1、PC寄存器对于一个运行中的java程序，每一个线程都有它自己的PC寄存器，它是在此线程创建时创建的，大小为一个字长，它存储的是下一条将被执行指令的“地址”，也就是字节码的偏移地址。如果线程在执行一个本地方法，它的内存永远是“undefined”。这是内存区唯一不会报outofMemoryError的区域。
2.2.2、stack栈运行时内存区，先进后出模式用于方法的压和出，当有死循环时，有可能出现StackOverflowError错误，方法区需要线程安全的设计。每当启动一个线程时，java VM都会为它分配一个java栈。以帧为单位保存线程的运行状态，VM只会直接对帧进行进栈和出栈两种操作，栈上的所有数据都是私有的。某个线程正在执行的方法称为该线程的当前方法，当前方法使用的帧称为当前帧。当前方法正常返回或抛出异常，都会弹出。上一个方法的帧变成当前帧。在线程上执行一个方法时，JVM都会在java栈中压入一个新的帧。
私有变量分配在了栈上，好处是栈会自动销毁，不需要垃圾回收器介入，可提高性能；但是大的对象不建议在栈上分配，因为其空间小，栈的大小是在编译时指定的。用-Xss来指定。
栈帧
栈帧的结构如下图所示：
?

类型在方法区中的结构：全限定名，直接超类的全限定名+类型（类||接口）包括它的结构信息、修饰符、超类的有序列表、一个到类ClassLoader的引用、一个到Class类的引用（即创建一个java.lang.Class类的实例）。每个帧都有自己的局部变量表和指向常量池的引用；它随着方法创建或结束而创建或销毁，如果stackoutException一般是由于死循环引起的。一个帧栈由三部分组成：
  • 局部变量区：是一个数组，存储方法的参数和临时变量。需要注意的是对于比int短的数据类型在java栈中都会转变为Int再进行运算，存回方法区时再转换为原来的类型；java栈中不会拷贝对象，只是存储到堆区的引用；
  • 操作数栈：是一个数组结构，存储中间计算结果，它不是通过索引来访问，而是标准的栈操作来访问的，A指令可能把数据压入栈中，稍后B指令可能执行出栈操作再取来；
  • 帧数据区：除了以上两个数据区后，java栈帧还需要一些数据来支持常量池解析、正常方法返回以及异常机制派发，当需要用到常量池中的数据时，就会通过存放在此帧数据区的指针来访问（如果是普通数据则直接取出压入栈中）；
2.2.3、本地方法栈本地方法区和 Java Stack 作用类似, 区别是虚拟机栈为执行 Java 方法服务, 而本地方法栈则为 Native 方法服务, 如果一个 VM 实现使用 C-linkage 模型来支持 Native 调用, 那么该栈将会是一个 C 栈。运行中的每一个java线程都有一个私有的执行引擎实例，这个执行引擎会执行两种操作：字节码或是本地方法（JNI，本地方法视为一种扩展），它主要操作的是操作数栈。HostSpot-JVM把本地方法堆栈和JVM堆栈合二为一了。
当java程序直接调用本地方法（一般用C语言实现），当某个线程调用一个本地方法时，它就进入了一个全新的并且不再受VM限制的世界，本地方法可以通过本地方法接口来访问虚拟机的运行时数据区。java调用本地方法时不会操作栈，而是一个动态链接。本地方法执行后会有一个返回值或异常，它也可以回调java方法。
2.3、直接内存区
这是类似堆的一块内存区，不是 JVM 运行时数据区的一部分。java的NIO库就是直接使用这块的内存区域，性能会更好。这块区域大小不受xmx限制。它的速度要快于堆，默认为Xmx的大小 ，也可以用MaxDirectMemorySize来指定。也会被GC。它适合多读的场景，比如把文件读到内存，然后多次被访问。原因是它写内存的速度要远低于堆，但它读内存的速度的要远高于堆。
在NIO的设计中有体现，比如 在 JDK 1.4 引入的 NIO 提 供了基于 Channel 与 Buffer 的 IO 方式, 它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存, 然后使用 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作(详见: Java I/O 扩展), 这样就避免了在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据, 因此在一些场景中可以显著提高性能。
三、生命周期3.1、基础
数据类型javaVM的数据分为两种类型：基本类型和引用类型。其中基本类型中的boolean有点特别，当编译为字节码时，会用int或byte来表示boolean。涉及到boolean的值操作时则会使用int，boolean数组是当做byte数组来使用的。在基本类型中还有一个returnAddress的基本类型，程序用不了，它用来实现finally语句。

在java VM中最基本的数据单元就是字（word），它的大小由每个VM实现的设计者来决定，但一般至少是一个byte或byte的整数倍。字长大小程序不会侦测到，但也不会影响程序的运行。
类型解析
详细的可看上图中的描述，有几点需要注意的如下：
  1. 在引用和被引用对象由不同的类加载器加载时，为了保证安全，这两边必须保证全路径名在方法区中一致，这样即保证了安全性也保证了一致性；
  2. 解析final常量：常量类解析为一个本地的拷贝，所以这保证了在使用switch和if时要注意线程的安全性。final是在编译时解析的，所以如果if中引用了final变量，在改变final时也要重新编译if所在的语句；
  3. 接口引用调用方法要比类引用计用方法慢很多，因为在JVM中method在方法区中会维护一个列表，外部通过引用方法偏移表来直接引用，但接口就不一定，因为外部可以持有同一个接口的不同引用，每次调用都需要在接口的实现树上找到一个适合的实现。
  4. 其它基本类型的解析就比较简单一般就是直接引用即可；
类装载子系统java VM有两种类加载器：启动和用户自定义加载器，用户自定义加载器必须派生自java.lang.ClassLoader，这个类提供了访问类加载器机制的接口，用户自定义的类加载器以及Class类的实例也同样存在于堆区中，而装载的类型信息则都位于方法区。其它他们都是系统的一部分。类加载器的工作过程主要包括：1、装载，查找并装载类型的二进制数据；2、连接，执行验证，准备，以及解析（可选）；3、初始化；4、使用；5、卸载；
【jvm专题 - 内存结构】ClassLoader有四个方法：defineClass两个、findSystemClass、resoloveClass。defineClass方法负责把新类型导入到方法区中， resoloveClass接受defineClass返回值做为参数，对此Class执行连接动作，defineClass执行后此类就位于方法区了，因为方法区中存的是class实例。
java VM的命名空间，其实是解析过程的结果。对于每一个被装载的类型，java VM都会记录装载它的class loader。这种机制也防止了类型混淆，即JVM除了限定全路径名以后还会限定类加载器。
3.2、线程的生命周期
在java VM中有两种线程：守护线程和非守护线程。守护线程通常是由虚拟机自己使用的，比如GC线程，但是java程序也允许把自定义的任何线程标记为守护线程。java程序中的初始线程（main()）为非守护线程。只要还有非守护线程在运行，java VM就处于存活状态，一旦所有的非守护线程都停止了，虚拟机实例将自动退出。
这里所说的线程是指程序执行过程中的一个线程实体。JVM 允许一个应用并发执行多个线程。Hotspot JVM 中的 Java 线程与原生操作系统线程有直接的映射关系。当线程本地存储、缓冲区分配、同步对象、栈、程序计数器等准备好以后，就会创建一个操作系统原生线程，操作系统负责调度所有线程，并把它们分配到任何可用的 CPU 上，当原生线程初始化完毕，就会调用 Java 线程的 run() 方法。Java 线程结束原生线程随之被回收。当线程结束时会释放原生线程和 Java 线程的所有资源。JVM 后台运行的系统线程主要有下面几个：
线程分类
描述
虚拟机线程
负责等待 JVM 到达安全点操作出现。这些操作必须要在独立的线程里执行，因为当 堆修改无法进行时，线程都需要 JVM 位于安全点。这些操作的类型有:stop-the- world 垃圾回收、线程栈 dump、线程暂停、线程偏向锁(biased locking)解除。
周期性任务线程
负责定时器事件(也就是中断)，用来调度周期性操作的执行。
GC线程
支持 JVM 中不同的垃圾回收活动。
编译器线程
在运行时将字节码动态编译成本地平台相关的机器码。
信号分发线程
接收发送到 JVM 的信号并调用适当的 JVM 方法处理。
3.3、对象的生命周期
类一旦被加载、连接、初始化后。程序就可以访问它的静态方法、变量等。这是在堆上进行的操作。GC主要是对这个内存区进行垃圾回收，下一章节笔者会详细描述GC的内容，此小节会详细说明下类创建的过程，也把上一章节埋的一个坑填上。
类实例化
类实例化一般有4种途径：new()、clone()、newInstance()、java.io.ObjectInputStream().getObject()（序列化）；另外还有隐式的创建，经如String运算过程中的创建。java编译器会为每个类创建一个实例化的init构造方法，如果这个构造函数中没有显示的this或super方法，则默认从超类的init方法开始调用。
垃圾回收-对象的终结
jvm必须实现自动的堆管理策略。程序员也可以重载finalize()方法：这个方法是由FinalizerThread线程来处理的，执行前要加入一个引用对列，对列内部是个链表结构，再执行。这也就是GC时时间不确定的原因之一；
  • gc时只会主动调用一次此类，并且此类中的任何异常都会被忽略；
  • 此类被程序员显式调用并不会影响gc过程；
  • 在这个类里也可以处理复杂的清理和对象复活任务，但不建议复活对象，原因是这个方法是由gc来调用的，无法确定其调用的时间，可以做一些清理工作；
  • 因为复活的原因，gc一般会进行二次检查来确认
class Finale
protected void finalize()
System.out.println("A Finale object was finalized.");
//...

//...

不建议重写finalize()方法的原因是，GC时JVM会把所有可回收的对象包装成一个java.lang.ref.Finalizer，然后放在ReferenceQueue队列中，内部为一个双向链表结构。然后 FinalizerThread线程依次执行队列中引用对象的finalize()方法，如果重写的finalize方法中存在sleep这样比较耗时的操作，就会导致很多对象来不及GC，导致oom异常。
但有时可做为双保险使用，比如DB连接，除了程序中手动关闭后，也可以在此处在关闭一次。因为之前关了一次，所以重载的finalize中基本是什么都不做的。还有一种情况就是在分配了大量的空间后也最好进行一次显示的System.gc()调用；
3.4、类型的生命周期
jvm通过以下三步初始化一个java类型，使其可被当前程序可用。其中连接中的解析可以初始化后运行；一般的JVM有个规则是首次使用时才加载和初始化，有的也会提前感知预先装载。这个过程一般是在方法区上进行的；

装载分三阶段完成：1、通过类型的全限定名，产生一个代表此类型的二进制数据流；2、解析内部结构；3、创建一个java.lang.Class实例；可能会占用方法区存放部分元数据；
连接驱动java连接模型的引擎是解析过程，可以允许用户自定义类装载器，在运行时动态地扩展用户程序。 这个连接过程包括常量池、方法表。class文件把它所有的引用符号都保存在常量池中，这个池是独享的。解析过程中根据符号引用查找实体，再把符号引用替换成一个直接引用，主要过程如下所述：
  1. 验证：初步验证.class文件的合理性；
  2. 准备：除了分配内存外，jvm会给变量分配默认的初始值；初始化阶段再赋予程序员期望的值；
  3. 解析：在常量池中寻找类、接口、方法、字段的符号引用，再把这些符号替换成直接引用；
理解连接模型，需要知道类的装载、检验、连接、解析、初始化这样的一个过程。
动态连接jvm装载程序类和接口，并在动态连接的过程中把他们连接起来。这个连接是通过符号连接起来的，class文件被装载后都有一个内部版本的常量池（连接符号保存的地方），它和class文件的结构相对应。当引用于jvm会解析常量池中数据的入口并且只会解析一次，连接的过程主要是把符号替换成直接引用（指针），同时还要检查正确性和权限。类找不到的错误就是这个过程发现的。
动态扩展在jvm中可以使用java.lang.Class.forName()和java.lang.ClassLoader.loadClass()来动态扩展。这两种的区别在于装载的命名空间不同：
  • forName()：可以用参数指定是否在返回前被初始化，比如JDBC需要一个注册过程，返回前必须被初始化；它试图把类装载到当前的命名空间（系统类装载器，即classpath的路径）
  • loadClass()：没有初始化操作。这种方法的扩展会提供一个命名空间，提供安全保护功能，forName()的第三个参数也可以指定一个classLoader实现安全的功能；它试图把类装载到用户自定义的装载器的命名空间里
classLoader
存在1.1和1.2两种版本的实现，其区别就在findClass和loadClass。前者是后者的子集，其中findClass是1.2的更容易扩展，它把loadClass的工作分离开，只负责按路径查找要加载的类，并转换成数组给defineClass方法。示例代码如下：
public interface Greeter
void greet();

public class Hello implements Greeter
public void greet()
System.out.println("Hello, world!");


//这个实现是java1.1的实现，是源码也是一个自定义的实现
public class GreeterClassLoader extends ClassLoader

private String basePath; //用来保存目录路径

public GreeterClassLoader(String basePath)
this.basePath = basePath;


public synchronized Class loadClass(String className, boolean resolveIt) throws ClassNotFoundException
Class result;
byte classData[];

// 检查要调用的类型是否被加载过
result = findLoadedClass(className);
if (result != null)
return result;

// 双亲加载
try
result = super.findSystemClass(className);
return result;

catch (ClassNotFoundException e)


// Dont attempt to load a system file except through
// the primordial class loader
if (className.startsWith("java."))
throw new ClassNotFoundException();


// Try to load it from the basePath directory.
classData = https://www.songbingjia.com/android/getTypeFromBasePath(className);
if (

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