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JVM(1)内存模型.md

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JVM内存分布

JVM 内存

JVM 内存区域主要分为:

  • 线程私有区域【程序计数器、虚拟机栈、本地方法区
  • 线程共享区域【JAVA 堆、方法区
  • 直接内存。

线程私有数据区域生命周期与线程相同,依赖用户线程的启动/结束 而 创建/销毁

线程共享区域随虚拟机的启动/关闭而创建/销毁。线程共享区域随虚拟机的启动/关闭而创建/销毁。

内存分布

堆(Heap-线程共享)

是被线程共享的一块内存区域,创建的对象和数组都保存在 Java 堆内存中,也是垃圾收集器进行垃圾收集的最重要的内存区域。

由于现代 VM 采用分代收集算法,因此 Java 堆从 GC 的角度还可以细分为: 新生代(Eden 区From Survivor 区To Survivor 区)和老年代。

JDK8 时字符串池和类的静态变量放入 java 堆中

JVM 运行时内存

Java 堆从 GC 的角度还可以细分为: 新生代(Eden 区From Survivor 区To Survivor 区)和老年代

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新生代

是用来存放新生的对象。一般占据堆的 1/3 空间。由于频繁创建对象,所以新生代会频繁触发MinorGC 进行垃圾回收。新生代又分为 Eden 区、ServivorFrom、ServivorTo 三个区。

1. Eden 区

Java 新对象的出生地(如果新创建的对象占用内存很大,则直接分配到老年代)。当 Eden区内存不够的时候就会触发 MinorGC,对新生代区进行一次垃圾回收。

2. ServivorFrom

上一次 GC 的幸存者,作为这一次 GC 的被扫描者。

3. ServivorTo

保留了一次 MinorGC 过程中的幸存者。

老年代

主要存放应用程序中生命周期长的内存对象。

老年代的对象比较稳定,所以 MajorGC 不会频繁执行。在进行 MajorGC 前一般都先进行了一次 MinorGC,使得有新生代的对象晋身入老年代,导致空间不够用时才触发。当无法找到足够大的连续空间分配给新创建的较大对象时也会提前触发一次 MajorGC 进行垃圾回收腾出空间。

MajorGC 采用标记清除算法:首先扫描一次所有老年代,标记出存活的对象,然后回收没有标记的对象。MajorGC 的耗时比较长,因为要扫描再回收。MajorGC 会产生内存碎片,为了减少内存损耗,我们一般需要进行合并或者标记出来方便下次直接分配。当老年代也满了装不下的时候,就会抛出 OOM(Out of Memory)异常。

永久代

指内存的永久保存区域,主要存放 Class 和 Meta(元数据)的信息,Class 在被加载的时候被放入永久区域,它和和存放实例的区域不同,GC 不会在主程序运行期对永久区域进行清理。所以这也导致了永久代的区域会随着加载的 Class 的增多而胀满,最终抛出 OOM 异常。

方法区(线程共享)

和堆区一样,别名 Non-heap (非堆), 又被称为永久代(Permanent Generation)线程共享,用于存储被 JVM 加载的类信息常量静态变量即时编译器编译后的代码等数据.

运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分。Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述等信息外,还有一项信息是常量池: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。

HotSpot VM把GC分代收集扩展至方法区,即使用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(永久代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)。

Metaspace(元空间)

在 Java8 中,永久代已经被移除,被一个称为“元数据区”(元空间)的区域所取代

元空间的本质和永久代类似,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。

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,这样可以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。

虚拟机栈(线程私有)

虚拟机栈是描述java方法执行的内存模型,其特点如下:

  • 每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量、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成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
  • 线程私有;生命周期与线程相同

栈帧( Frame)

是用来存储数据和部分过程结果的数据结构,同时也被用来处理动态链接(Dynamic Linking)、 方法返回值和异常分派( Dispatch Exception)。栈帧随着方法调用而创建,随着方法结束而销毁——无论方法是正常完成还是异常完成(抛出了在方法内未被捕获的异常)都算作方法结束。

局部变量表

  • 存储编译期可知的各种 基本数据类型、对象引用类型(引用指针或句柄)和 returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址);
  • 在编译期完成内存分配,当内存不足时,会抛出两种异常:SOF 异常、OOM异常;SOF 异常 (StackOverflowError):线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度时抛出;OOM异常 (OutOfMemoryError):无法申请到足够内存时抛出

本地方法区(线程私有)

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,但 HotSpot VM 直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

也会抛出两种异常:SOF 异常、OOM异常

程序计数器(线程私有)

一块较小的内存空间,是当前线程所执行的字节码的行号指示器,每条线程都要有一个独立的程序计数器,这类内存也称为 ”线程私有“ 内存。

正在执行 java 方法的话,计数器记录的是虚拟机字节码指令的地址(当前指令的地址)。如果还是 Native 方法,则为空。

这个内存区域是唯一一个在虚拟机中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

内存分配策略

Java 程序运行时的内存分配策略有三种

  • 静态分配:静态存储区(也称方法区),静态数据、全局 static 数据和常量
  • 栈式分配:栈区,方法体内的局部变量(其中包括基础数据类型、对象的引用)
  • 堆式分配:堆区,new 出来的内存,也就是对象的实例

堆内存分配策略

Eden区存活对象进入Survivor区(Eden肯定会被清空),大对象(长字符串或数组,byte[] 就是典型)进入直接进入老年代;如果Survivor区无法提供足够的内存,则通过分配担保机制提前进入老年代

  • Survivor区中存活年龄大于等于15的对象直接进入老年代(每次Minor GC对象年龄加1)
  • Survivor区同年龄的对象大小总和大于Survivor空间的一半时,其他年龄大于或等于该年龄的对象直接进入老年代,年龄不必等到15
  • 当发生MinorGC时,survivor空间不够时,需要老年代分配担保,让survivor无法容纳的对象进入老年代
  • 年轻代空间回收称作 Minor GC ,发生频繁,老年代的垃圾回收称作 Full GC/Major GC

Minor GC :年轻代进行的垃圾回收,非常频繁,一把回收速度较快

Major GC:老年代进行的垃圾回收,发生一次MajorGC至少伴随一次Minor GC,一般比Minor GC慢10倍

Full GC:整个堆内存进行垃圾回收,很多时候是Major GC

MinorGC 的过程(复制->清空->互换)采用复制算法

对象创建时,会在Eden区分配内存,Eden区内存不够,触发Minor GC(年轻代的垃圾回收)

  • 1:eden、servicorFrom 复制到 ServicorTo,年龄+1

首先,把 Eden 和 ServivorFrom 区域中存活的对象复制到 ServicorTo 区域(如果有对象的年龄以及达到了老年的标准,则赋值到老年代区),同时把这些对象的年龄+1(如果 ServicorTo 不够位置了就放到老年区);

  • 2:清空 eden、servicorFrom

然后,清空 Eden 和 ServicorFrom 中的对象;

  • 3:ServicorTo 和 ServicorFrom 互换

最后,ServicorTo 和 ServicorFrom 互换,原 ServicorTo 成为下一次 GC 时的 ServicorFrom区。

Full GC 的触发条件:

  • 调用System.gc(), 建议虚拟机执行 Full GC,不一定正在执行,不推荐
  • 老年代不足时,常见场景大对象、长期存活的对象直接进入老年代时内存不足,导致频繁GC
  • 为 survivor 的空间担保失败。

永久代主要回收:废弃常量和无用的类,废弃常量和无用的类的判断方式:

  • 废弃常量: 该常量没有任何对象进行引用,就会被回收。
  • 无用的类: 该类的所有实例都已经被回收,该类的ClassLoader已经被回收,该类的Class对象没有被引用,无法完成通过反射访问该类