JVM的内存区域划分(jdk7和jdk8)

前言

1、什么是JVM

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。Java虚拟机包括一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆和一个存储方法域。

2、JRE/JDK/JVM是什么关系

JRE(JavaRuntimeEnvironment，Java运行环境)，也就是Java平台。所有的Java 程序都要在JRE下才能运行。普通用户只需要运行已开发好的java程序，安装JRE即可。

JDK(Java Development Kit)是程序开发者用来来编译、调试java程序用的开发工具包。JDK的工具也是Java程序，也需要JRE才能运行。为了保持JDK的独立性和完整性，在JDK的安装过程中，JRE也是安装的一部分。所以，在JDK的安装目录下有一个名为jre的目录，用于存放JRE文件。

JVM(JavaVirtualMachine，Java虚拟机)是JRE的一部分。它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。JVM有自己完善的硬件架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。Java语言最重要的特点就是跨平台运行。使用JVM就是为了支持与操作系统无关，实现跨平台。

3、JVM执行程序的过程

1) 加载.class文件

2) 管理并分配内存

3) 执行垃圾收集
JRE（java运行时环境）是JVM构造的java程序的运行环境，也是Java程序运行的环境，但是一个操作系统的一个应用程序一个进程也有他自己的运行的生命周期，也有自己的代码和数据空间。JVM在整个jdk中处于最底层，负责于操作系统的交互，用来屏蔽操作系统环境，提供一个完整的Java运行环境，因此也就虚拟计算机。操作系统装入JVM是通过jdk中Java.exe来完成，通过下面4步来完成JVM环境：

JRE（java运行时环境）是JVM构造的java程序的运行环境，也是Java程序运行的环境，但是一个操作系统的一个应用程序一个进程也有他自己的运行的生命周期，也有自己的代码和数据空间。JVM在整个jdk中处于最底层，负责于操作系统的交互，用来屏蔽操作系统环境，提供一个完整的Java运行环境，因此也就虚拟计算机。操作系统装入JVM是通过jdk中Java.exe来完成，通过下面4步来完成JVM环境：

1) 创建JVM装载环境和配置

2) 装载JVM.dll

3) 初始化JVM.dll并挂界到JNIENV(JNI调用接口)实例

4) 调用JNIEnv实例装载并处理class类。

4、 JVM的生命周期

JVM实例对应了一个独立运行的java程序它是进程级别
a) 启动。启动一个Java程序时，一个JVM实例就产生了，任何一个拥有public static void main(String[] args)函数的class都可以作为JVM实例运行的起点
b) 运行。main()作为该程序初始线程的起点，任何其他线程均由该线程启动。JVM内部有两种线程：守护线程和非守护线程，main()属于非守护线程，守护线程通常由JVM自己使用，java程序也可以表明自己创建的线程是守护线程
c) 消亡。当程序中的所有非守护线程都终止时，JVM才退出；若安全管理器允许，程序也可以使用Runtime类或者System.exit()来退出
JVM执行引擎实例则对应了属于用户运行程序的线程它是线程级别的

5、JVM垃圾回收

GC (Garbage Collection)的基本原理：将内存中不再被使用的对象进行回收，GC中用于回收的方法称为收集器，由于GC需要消耗一些资源和时间，Java在对对象的生命周期特征进行分析后，按照新生代、旧生代的方式来对对象进行收集，以尽可能的缩短GC对应用造成的暂停
（1）对新生代的对象的收集称为minor GC；
（2）对旧生代的对象的收集称为Full GC；
（3）程序中主动调用System.gc()强制执行的GC为Full GC。
不同的对象引用类型， GC会采用不同的方法进行回收，JVM对象的引用分为了四种类型：
（1）强引用：默认情况下，对象采用的均为强引用（这个对象的实例没有其他对象引用，GC时才会被回收）
（2）软引用：软引用是Java中提供的一种比较适合于缓存场景的应用（只有在内存不够用的情况下才会被GC）
（3）弱引用：在GC时一定会被GC回收
（4）虚引用：由于虚引用只是用来得知对象是否被GC

Java程序具体执行的过程：
在这里插入图片描述

如上图所示，首先Java源代码文件(.java后缀)会被Java编译器编译为字节码文件(.class后缀)，然后由JVM中的类加载器加载各个类的字节码文件，加载完毕之后，交由JVM执行引擎执行。在整个程序执行过程中，JVM会用一段空间来存储程序执行期间需要用到的数据和相关信息，这段空间一般被称作为Runtime Data Area（运行时数据区），也就是我们常说的JVM内存。因此，在Java中我们常常说到的内存管理就是针对这段空间进行管理（如何分配和回收内存空间）。

一.运行时数据区的组成

根据《Java虚拟机规范》的规定，运行时数据区通常包括这几个部分：程序计数器(Program Counter Register)、Java栈(VM Stack)、本地方法栈(Native Method Stack)、方法区(Method Area)、堆(Heap)。

备注：方法区是虚拟机规范中对运行时数据区划分的一个内存区域，不同的虚拟机厂商可以有不同的实现，而HotSpot虚拟机以永久代来实现方法区，所以方法区是一个规范，而永久代则是其中的一种实现方式。

在这里插入图片描述

如上图所示，JVM中的运行时数据区应该包括这些部分。在JVM规范中虽然规定了程序在执行期间运行时数据区应该包括这几部分，但是至于具体如何实现并没有做出规定，不同的虚拟机厂商可以有不同的实现方式。下面介绍运行时数据区的每部分具体用来存储程序执行过程中的哪些数据。

1.程序计数器

程序计数器（Program Counter Register），也有称作为PC寄存器。在汇编语言中，程序计数器是指CPU中的寄存器，它保存的是程序当前执行的指令的地址（也可以说保存下一条指令的所在存储单元的地址），当CPU需要执行指令时，需要从程序计数器中得到当前需要执行的指令所在存储单元的地址，然后根据得到的地址获取到指令，在得到指令之后，程序计数器便自动加1或者根据转移指针得到下一条指令的地址，如此循环，直至执行完所有的指令。虽然JVM中的程序计数器并不像汇编语言中的程序计数器一样是物理概念上的CPU寄存器，但是JVM中的程序计数器的功能跟汇编语言中的程序计数器的功能在逻辑上是等同的，也就是说是用来指示执行哪条指令的。由于在JVM中，多线程是通过线程轮流切换来获得CPU执行时间的，因此，在任一具体时刻，一个CPU的内核只会执行一条线程中的指令，因此，为了能够使得每个线程都在线程切换后能够恢复在切换之前的程序执行位置，每个线程都需要有自己独立的程序计数器，并且不能互相被干扰，否则就会影响到程序的正常执行次序。因此，可以这么说，程序计数器是每个线程所私有的。

在JVM规范中规定，**如果线程执行的是非native方法，则程序计数器中保存的是当前需要执行的指令的地址；如果线程执行的是native方法，则程序计数器中的值是undefined。**由于程序计数器中存储的数据所占空间的大小不会随程序的执行而发生改变，因此，对于程序计数器是不会发生内存溢出现象(OutOfMemory)的。

2.Java栈（虚拟机栈）

Java栈也称作虚拟机栈（Java Vitual Machine Stack），也就是我们常常所说的栈。事实上，Java栈是Java方法执行的内存模型。Java栈中存放的是一个个的栈帧，每个栈帧对应一个被调用的方法，在栈帧中包括局部变量表(Local Variables)、操作数栈(Operand Stack)、指向当前方法所属的类的运行时常量池（运行时常量池的概念在方法区部分会谈到）的引用(Reference to runtime constant pool)、方法返回地址(Return Address)和一些额外的附加信息。当线程执行一个方法时，就会随之创建一个对应的栈帧，并将建立的栈帧压栈。当方法执行完毕之后，便会将栈帧出栈。因此可知，线程当前执行的方法所对应的栈帧必定位于Java栈的顶部。讲到这里，大家就应该会明白为什么在使用递归方法的时候容易导致栈内存溢出的现象了以及为什么栈区的空间不用程序员去管理了（当然在Java中，程序员基本不用关系到内存分配和释放的事情，因为Java有自己的垃圾回收机制），这部分空间的分配和释放都是由系统自动实施的。对于所有的程序设计语言来说，栈这部分空间对程序员来说是不透明的。下图表示了一个Java栈的模型：
在这里插入图片描述
1）、局部变量表
就是用来存储方法中的局部变量（包括在方法中声明的非静态变量以及函数形参）。对于基本数据类型的变量，则直接存储它的值，对于引用类型的变量，则存的是指向对象的引用。局部变量表的大小在编译器就可以确定其大小了，因此在程序执行期间局部变量表的大小是不会改变的。
2）、操作数栈
想必学过数据结构中的栈的朋友想必对表达式求值问题不会陌生，栈最典型的一个应用就是用来对表达式求值。想想一个线程执行方法的过程中，实际上就是不断执行语句的过程，而归根到底就是进行计算的过程。因此可以这么说，程序中的所有计算过程都是在借助于操作数栈来完成的。
3）、指向运行时常量池的引用
因为在方法执行的过程中有可能需要用到类中的常量，所以必须要有一个引用指向运行时常量。
4）、方法返回地址
当一个方法执行完毕之后，要返回之前调用它的地方，因此在栈帧中必须保存一个方法返回地址。

由于每个线程正在执行的方法可能不同，因此每个线程都会有一个自己的Java栈，互不干扰。

3.本地方法栈

本地方法栈与Java栈的作用和原理非常相似。区别只不过是Java栈是为执行Java方法服务的，而本地方法栈则是为执行本地方法（Native Method）服务的。在JVM规范中，并没有对本地方法栈的具体实现方法以及数据结构作强制规定，虚拟机可以自由实现它。在HotSopt虚拟机中直接就把本地方法栈和Java栈合二为一。

4.堆

在C语言中，堆这部分空间是唯一一个程序员可以管理的内存区域。程序员可以通过malloc函数和free函数在堆上申请和释放空间。那么在Java中是怎么样的呢？Java中的堆是用来存储对象本身的以及数组（当然，数组引用是存放在Java栈中的）。只不过和C语言中的不同，在Java中，程序员基本不用去关心空间释放的问题，Java的垃圾回收机制会自动进行处理。因此这部分空间也是Java垃圾收集器管理的主要区域。另外，堆是被所有线程共享的，在JVM中只有一个堆。

1.7构成
在这里插入图片描述
1.8的构成

（1）堆是JVM中所有线程共享的，因此在其上进行对象内存的分配均需要进行加锁，这也导致了new对象的开销是比较大的
（2） Sun Hotspot JVM为了提升对象内存分配的效率，对于所创建的线程都会分配一块独立的空间TLAB（Thread Local Allocation Buffer），其大小由JVM根据运行的情况计算而得，在TLAB上分配对象时不需要加锁，因此JVM在给线程的对象分配内存时会尽量的在TLAB上分配，在这种情况下JVM中分配对象内存的性能和C基本是一样高效的，但如果对象过大的话则仍然是直接使用堆空间分配
（3） TLAB仅作用于新生代的Eden Space，因此在编写Java程序时，通常多个小的对象比大的对象分配起来更加高效。
（4）所有新创建的Object 都将会存储在新生代Yong Generation中。如果Young Generation的数据在一次或多次GC后存活下来，那么将被转移到OldGeneration。新的Object总是创建在Eden Space。
堆空间内存分配（默认情况下）
老年代：三分之二的堆空间
年轻代：三分之一的堆空间
eden区： 8/10 的年轻代空间
survivor0 : 1/10 的年轻代空间
survivor1 : 1/10 的年轻代空间
命令行上执行如下命令，查看所有默认的jvm参数
java -XX:+PrintFlagsFinal -version
-XX:InitialSurvivorRatio 新生代Eden/Survivor空间的初始比例
-XX:Newratio Old区和 Yong区的内存比例

一道推算题:默认参数下，如果仅给出eden区40M，求堆空间总大小
根据比例可以推算出，两个survivor区各5M，年轻代50M。老年代是年轻代的两倍，即100M。那么堆总大小就是150M。

5.方法区

方法区在JVM中也是一个非常重要的区域，它与堆一样，是被线程共享的区域。在方法区中，存储了每个类的信息（包括类的名称、方法信息、字段信息）、静态变量、常量以及编译器编译后的代码等。

在Class文件中除了类的字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用来存储编译期间生成的字面量和符号引用。在方法区中有一个非常重要的部分就是运行时常量池，它是每一个类或接口的常量池的运行时表示形式，在类和接口被加载到JVM后，对应的运行时常量池就被创建出来。当然并非Class文件常量池中的内容才能进入运行时常量池，在运行期间也可将新的常量放入运行时常量池中，比如String的intern方法。在JVM规范中，没有强制要求方法区必须实现垃圾回收。很多人习惯将方法区称为“永久代”，是因为HotSpot虚拟机以永久代来实现方法区，从而JVM的垃圾收集器可以像管理堆区一样管理这部分区域，从而不需要专门为这部分设计垃圾回收机制。不过自从JDK7之后，Hotspot虚拟机便将运行时常量池从永久代移除了。

直接内存（Direct Memory）

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，它直接从操作系统中分配，因此不受Java堆大小的限制，但是会受到本机总内存的大小及处理器寻址空间的限制，因此它也可能导致OutOfMemoryError异常出现。在JDK1.4中新引入了NIO机制，它是一种基于通道与缓冲区的新I/O方式，可以直接从操作系统中分配直接内存，即在堆外分配内存，这样能在一些场景中提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

二、对象实例化分析

对内存分配情况分析最常见的示例便是对象实例化:Object obj = new Object();

这段代码的执行会涉及java栈、Java堆、方法区三个最重要的内存区域。假设该语句出现在方法体中，我们知道obj会作为引用类型（reference）的数据保存在Java栈的本地变量表中，而会在Java堆中保存该引用的实例化对象，Java堆中还必须包含能查找到此对象类型数据的地址信息（如对象类型、父类、实现的接口、方法等），这些类型数据则保存在方法区中。

另外，由于reference类型在Java虚拟机规范里面只规定了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过哪种方式去定位，以及访问到Java堆中的对象的具体位置，因此不同虚拟机实现的对象访问方式会有所不同，主流的访问方式有两种：使用句柄池和直接使用指针。

通过句柄池访问的方式如下：

在这里插入图片描述

 通过直接指针访问的方式如下：

在这里插入图片描述
这两种对象的访问方式各有优势，使用句柄访问方式的最大好处就是reference中存放的是稳定的句柄地址，在对象的移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。使用直接指针访问方式的最大好处是速度快，它节省了一次指针定位的时间开销。目前Java默认使用的HotSpot虚拟机采用的便是是第二种方式进行对象访问的。

三、内存溢出简单测试方法

在这里插入图片描述
这里有一点要重点说明，在多线程情况下，给每个线程的栈分配的内存越大，反而越容易产生内存溢出异常。操作系统为每个进程分配的内存是有限制的，虚拟机提供了参数来控制Java堆和方法区这两部分内存的最大值，忽略掉程序计数器消耗的内存（很小），以及进程本身消耗的内存，剩下的内存便给了虚拟机栈和本地方法栈，每个线程分配到的栈容量越大，可以建立的线程数量自然就越少。因此，如果是建立过多的线程导致的内存溢出，在不能减少线程数的情况下，就只能通过减少最大堆和每个线程的栈容量来换取更多的线程。
另外，由于Java堆内也可能发生内存泄露（Memory Leak），这里简要说明一下内存泄露和内存溢出的区别：
1、内存泄露是指分配出去的内存没有被回收回来，由于失去了对该内存区域的控制，因而造成了资源的浪费。Java中一般不会产生内存泄露，因为有垃圾回收器自动回收垃圾，但这也不绝对，当我们new了对象，并保存了其引用，但是后面一直没用它，而垃圾回收器又不会去回收它，这边会造成内存泄露，
2、 内存溢出是指程序所需要的内存超出了系统所能分配的内存（包括动态扩展）的上限。

其实两者还是有关联的，如因为没有及时回收垃圾对象造成可用空间不足，这个时候再给新的对象分派内存空间的时候就会出现内存溢出的现象。

1、虚拟机栈溢出

public class StackErrorMock {
    private static int index = 1;
 
    public void call(){
        index++;
        call();
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        StackErrorMock mock = new StackErrorMock();
        try {
            mock.call();
        }catch (Throwable e){
            System.out.println("Stack deep : "+index);
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行多次，可以看出每次栈的深度都是不一样的，输出结果如下。

Stack deep : 22586
java.lang.StackOverflowError

虚拟机栈除了上述错误外，还有另一种错误，那就是当申请不到空间时，会抛出 OutOfMemoryError。这里有一个小细节需要注意，catch 捕获的是 Throwable，而不是 Exception。**因为 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 都不属于 Exception 的子类。**如图

2、堆溢出

public class HeapOomMock {
    public static void main(String[] args) {
        List<byte[]> list = new ArrayList<byte[]>();
        int i = 0;
        boolean flag = true;
        while (flag){
            try {
                i++;
                list.add(new byte[1024 * 1024]);//每次增加一个1M大小的数组对象
            }catch (Throwable e){
                e.printStackTrace();
                flag = false;
                System.out.println("count="+i);//记录运行的次数
            }
        }
    }
}

count=1638
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
at ls.jmv.HeapOomMock.main(HeapOomMock.java:18)

3、PermGen（永久代）异常

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。

四、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。（字面量和符号引用以前在常量池中）我们可以通过一段程序来比较 JDK 1.6 与 JDK 1.7及 JDK 1.8 的区别，以字符串常量为例：

public class StringOomMock {
    static String  base = "string";
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        for (int i=0;i< Integer.MAX_VALUE;i++){
            String str = base + base;
            base = str;
            list.add(str.intern());
        }
    }
}

这段程序以2的指数级不断的生成新的字符串，这样可以比较快速的消耗内存。我们通过 JDK 1.6、JDK 1.7 和 JDK 1.8 分别运行：

JDK 1.6 的运行结果：
在这里插入图片描述
JDK 1.7的运行结果：

JDK 1.8的运行结果：

　从上述结果可以看出，JDK 1.6下，会出现“PermGen Space”的内存溢出，而在 JDK 1.7和 JDK 1.8 中，会出现堆内存溢出，并且 JDK 1.8中 PermSize 和 MaxPermGen 已经无效。因此，可以大致验证 JDK 1.7 和 1.8 将字符串常量由永久代转移到堆中，并且 JDK 1.8 中已经不存在永久代的结论。现在我们看看元空间到底是一个什么东西？

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

现在我们在 JDK 8下重新运行一下代码段，不过这次不再指定 PermSize 和 MaxPermSize。而是指定 MetaSpaceSize 和 MaxMetaSpaceSize的大小。输出结果如下：
在这里插入图片描述
从输出结果，我们可以看出，这次不再出现永久代溢出，而是出现了元空间的溢出。

总结：通过上面分析，大家应该大致了解了 JVM 的内存划分，也清楚了 JDK 8 中永久代向元空间的转换。不过大家应该都有一个疑问，就是为什么要做这个转换？所以，最后给大家总结以下几点原因：
　　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。
　　4、Oracle 可能会将HotSpot 与 JRockit 合二为一。