JVM系列五：JVM的内存结构

一、Native

1.1、组成

由本地方法栈（Native Method Stack）、本地方法接口（Native Interface）、本地方法库（Native libraies）组成；

1.2、本地接口

　　本地接口的作用是融合不同的编程语言为 Java 所用，它的初衷是融合 C/C++程序，Java 诞生的时候是 C/C++横行的时候，要想立足，必须要调用 C/C++程序，于是就在内存中专门开辟了一块区域用于处理标记为native的代码，它的具体做法是 Native Method Stack中登记 native方法，在Execution Engine 执行时加载Native libraies。 目前该方法使用的越来越少了，除非是与硬件有关的应用，比如通过Java程序驱动打印机或者Java系统管理生产设备，在企业级应用中已经比较少见。因为现在的异构领域间的通信很发达，比如可以使用 Socket通信，也可以使用Web Service等等，不多做介绍。

1.3、本地方法栈

它的具体做法是Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine 执行时加载本地方法库。

 

二、PC寄存器

2.1、PC寄存器的位置

CPU中

2.2、PC寄存器的作用

　　每个线程都有一个程序计数器，是线程私有的（就是一个指针），指向方法区中的方法字节码（用来存储指向下一条指令的地址,也即将要执行的指令代码），由执行引擎读取下一条指令，是一个非常小的内存空间，几乎可以忽略不记，
这块内存区域很小，它是当前线程所执行的字节码的行号指示器，字节码解释器通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，如果执行的是一个Native方法，那么这个计数器是空的，用以完成分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能，不会发生内存溢出(OutOfMemory=OOM)错误。

2.3、一句话

PC寄存器就是一个指针，它记录着A方法运行完成之后，下一个要运行的方法是谁。简单一句话，类似排班值日表、火车车厢之间连接的钩子。

三、虚拟机栈

 

 

四、方法区

• 存储了一个类的结构信息；
• 方法区是规范，在不同的虚拟机里边实现方式是不一样的，最典型的代表是永久代（PermGen space）和元空间（Metaspace）;
  • 空调  air = new 格力()；
  • List<String> list = new ArrayList<>();
  • 方法区 f = new 永久代();
  • 方法区 f = new 元空间();
•  供各线程共享的运行时内存区域。它存储了每一个类的结构信息，例如运行时常量池（Runtime Constant Pool）、字段和方法数据、构造函数和普通方法的字节码内容。上面讲的是规范，在不同虚拟机里头实现是不一样的，最典型的就是永久代(PermGen space)和元空间(Metaspace)。　　

五、栈和堆

5.1、栈（stack）

5.1.1、概述

　　栈也叫栈内存，主管Java程序的运行，它在线程创建时创建，它的生命期是跟随线程的生命周期，线程结束栈内存也就释放，对于栈来说不存在垃圾回收问题，只要线程一结束该栈就Over，生命周期和线程一致，是线程私有的。8种基本类型的变量+对象的引用变量+实例方法都是在函数的栈内存中分配。

5.1.2、栈中保存哪些东西

8中基本数据类型+对象的引用变量+实例方法。

byte、short、int、long、float、double、boolean、char　

5.1.3、栈帧中保存哪些东西　

栈帧中主要保存如下三类数据：

• 本地变量（Local Variables）:输入参数和输出参数以及方法内的变量；
• 栈操作（Operand Stack）:记录出栈、入栈的操作；

• 栈帧数据（Frame Data）:包括类文件、方法等等。

 备注：java中的方法进入虚拟机后叫做栈帧。

5.1.4、栈的运行原理

　　栈中的数据都是以栈帧（Stack Frame）的格式存在，栈帧是一个内存区块，是一个数据集，是一个有关方法(Method)和运行期数据的数据集，当一个方法A被调用时就产生了一个栈帧 F1，并被压入到栈中，A方法又调用了 B方法，于是产生栈帧 F2 也被压入栈，B方法又调用了 C方法，于是产生栈帧 F3 也被压入栈，……执行完毕后，先弹出F3栈帧，再弹出F2栈帧，再弹出F1栈帧……遵循“先进后出”/“后进先出”原则。每个方法执行的同时都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息，每一个方法从调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机中入栈到出栈的过程。栈的大小和具体JVM的实现有关，通常在256K~756K之间,约等于1Mb左右。

5.1.5、栈、堆、方法区之间的关系

　　

 

HotSpot是使用指针的方式来访问对象：Java堆中会存放访问类元数据的地址，reference存储的就直接是对象的地址。

5.2、堆（heap）

5.2.1、概述

一个JVM实例只存在一个堆内存，堆内存的大小是可以调节的。类加载器读取了类文件后，需要把类、方法、常变量放到内存中，保存所有引用类型的真实信息，以方便执行器执行，堆内存逻辑上分为3个部分：

• 新生区  Young Generation Space          Young/New
• 养老区 Tenure generation space           Old/Tenure

• 永久区 Permanent Space Perm

 

 

5.2.2、新生区

　　新生区是类的诞生、成长、消亡的区域，一个类在这里产生，应用，最后被垃圾回收器收集，结束生命。新生区又分为2个部分：伊甸区（Eden space）和幸存者区（Survivor space），所有的类都是在伊甸区被new出来的。幸存区有2个：0区（Survivor 0 space）和1区(Survivor 1 space)。当伊甸区的空间用完时，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸区的垃圾进行回收（Minor GC），将伊甸区中的不再被其他对象所引用的对象进行销毁。然后将伊甸区中剩余对象移动到幸存者0区，若幸存者0区也满了，再对该区进行垃圾回收，然后移动到幸存者1区，如果1区也满了，再对该区域进行垃圾回收，然后把幸存者移动到养老区。若养老区也满了，那么这个时候将产生Major GC(Full GC)，进行养老区的内存清理。若养老区执行了Full GC之后依然无法进行对象的保存，就会产生OOM异常"java.lang.OutOfMemoryError"。

如果出现了java.lang.OutOfMemoryError:Java heap space异常，说明java虚拟机的堆内存不够，原因有二：
1、java虚拟机的堆内存设置不够，可以通过参数-Xms、-Xmx来调整；
2、代码中创建了大量大对象，并且长时间不能被垃圾回收器收集（该对象还被引用着）；

MinorGC的过程：复制-》清空-》交换

　　Java堆从GC的角度还可以细分为新生代（Eden区[伊甸区]、From Survivor[幸存者0区]、To Survivor[幸存者1区]）和老年代。

（1） Eden、SurvivorFrom复制到SurvivorTo，年龄+1。首先，当Eden区满的时候会触发第一次GC动作，该动作会把Eden区还活着的对象拷贝到SurvivorFrom区，当Eden区再次触发GC操作的时候，会扫描Eden区和From区，对这

 两个区域的垃圾进行回收，经过这次回收后还存活着的对象，将直接复制到To区域（如果对象的年龄已经达到了老年标准，则赋值到老年区），同时把这些对象的年龄+1；

（2）清空Eden、SurvivorFrom区中的对象。；

（3）SurvivorTo和SurvivorFrom互换，原来的From区变为To区，原来的To区变为From区，也即复制之后有交换，谁空谁是To。部分对象会在From和To区域中复制来复制去，如此交换15次（由JVM参数MaxTenuringThreshold决定，这个参数的默认值是15），如此经过15次之后，依然还存回着，

那么就会进入老年代。

（4）经研究，不同对象的生命周期不同，98%的对象都是临时对象。

5.2.3、养老区

5.2.4、永久区（元空间）

 　　实际而言，方法区（Method Area）和堆一样，是各个线程共享的内存区域，主要用于存储虚拟机加载的：类信息、普通常量、静态常量、编译器编译后的代码等。虽然JVM规范将方法区描述为堆得一个逻辑部分，但它却还有一个别名叫非堆（Non-Heap），目的就是要和堆区分开来。

对于HotSpot虚拟机，很多开发者习惯将方法区称之为“永久代（Permanent Gen）”，但严格本质上说两者不同，或者说使用永久代来实现方法区而已，永久代是方法区的一个实现，JDK1.7版本中，已经将原本放在永久代的字符串常量池移走。永久区是一个常驻内存区，用于存放JDK自身

所携带的Class、Interface等元数据，也就是说它存储的是运行环境必须的类信息，被装载进此区域的数据是不会被垃圾回收器回收掉的，关闭JVM才会释放区域所占用的内存。

 

5.3、堆参数调优

 

 

　　 JDK1.8之后将最初的永久代取消了，由元空间取代，元空间的本质和永久代类似。它们之间最大的区别在于：永久代使用的是JVM的堆内存，但是Java8以后的元空间并不在虚拟机中，而是使用本机的物理内存。因此默认情况下，元空间的大小仅受本地内存的限制。类的元数据放入

native memory，字符串常量池和类的静态变量放入Java堆中，这样可以加载多少类的元数据就不再由MaxPermSize控制，而是由系统的实际可用空间来控制。

堆内存调优，都调哪些参数

-Xms 设置堆内存的最小空间，默认为物理内存的1/64
-Xmx 设置堆内存的最大空间，默认为物理内存的1/4
-Xmn 设置新生区的空间
-XX:+PrintGCDetails 输出详细的GC日志

VM参数：-Xms8m -Xmx8m -XX:+PrintGCDetails

代码查看堆的默认配置空间

package com.atguigu.jvm;

/**
 * 查询JVM的默认空间大小
 */
public class JVMParamDemo {
    public static void main(String[] args) {
        long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory() ;//返回 Java 虚拟机试图使用的最大内存量。
        long totalMemory = Runtime.getRuntime().totalMemory() ;//返回 Java 虚拟机中的内存总量。
        System.out.println("-Xmx = " + maxMemory + "（字节）、" + (maxMemory / (double)1024 / 1024) + "MB");
        System.out.println("-Xms = " + totalMemory + "（字节）、" + (totalMemory / (double)1024 / 1024) + "MB");

    }
}

5.4、一句话

栈管运行，堆管存储