JVM初探 -JVM内存模型

java一日一条 · 公众号 · Java · 2018-04-19 18:38

正文

请到「今天看啥」查看全文

如果在执行垃圾回收之后，仍没有足够的内存分配，也不能再扩展，将会抛出 OutOfMemoryError:Java Heap Space 异常。

老年代（Old Generation）

老年代用于存放在年轻代中经多次垃圾回收仍然存活的对象，可以理解为比较老一点的对象，例如缓存对象；新建的对象也有可能在老年代上直接分配内存，这主要有两种情况：一种为大对象，可以通过启动参数设置 -XX:PretenureSizeThreshold=1024 ，表示超过多大时就不在年轻代分配，而是直接在老年代分配。此参数在年轻代采用 Parallel Scavenge GC 时无效，因为其会根据运行情况自己决定什么对象直接在老年代上分配内存；另一种为大的数组对象，且数组对象中无引用外部对象。

当老年代满了的时候就需要对老年代进行垃圾回收，老年代的垃圾回收称作 Major GC （也称作 Full GC ）。

老年代所占用的内存大小为-Xmx对应的值减去-Xmn对应的值。

2.3 本地方法栈（Native Method Stack）

本地方法栈用于支持native方法的执行，存储了每个native方法调用的状态。本地方法栈和虚拟机方法栈运行机制一致，它们唯一的区别就是，虚拟机栈是执行Java方法的，而本地方法栈是用来执行native方法的，在很多虚拟机中（如Sun的JDK默认的HotSpot虚拟机），会将本地方法栈与虚拟机栈放在一起使用。

2.4 程序计数器（Program Counter Register）

程序计数器是一个比较小的内存区域，可能是CPU寄存器或者操作系统内存，其主要用于指示当前线程所执行的字节码执行到了第几行，可以理解为是当前线程的行号指示器。字节码解释器在工作时，会通过改变这个计数器的值来取下一条语句指令。每个程序计数器只用来记录一个线程的行号，所以它是线程私有（一个线程就有一个程序计数器）的。

如果程序执行的是一个Java方法，则计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令地址；如果正在执行的是一个本地（native，由C语言编写完成）方法，则计数器的值为Undefined，由于程序计数器只是记录当前指令地址，所以不存在内存溢出的情况，因此，程序计数器也是所有JVM内存区域中唯一一个没有定义OutOfMemoryError的区域。

2.5 虚拟机栈（JVM Stack）

虚拟机栈占用的是操作系统内存，每个线程都对应着一个虚拟机栈，它是线程私有的，而且分配非常高效。一个线程的每个方法在执行的同时，都会创建一个栈帧（Statck Frame），栈帧中存储的有局部变量表、操作站、动态链接、方法出口等，当方法被调用时，栈帧在JVM栈中入栈，当方法执行完成时，栈帧出栈。

局部变量表中存储着方法的相关局部变量，包括各种基本数据类型，对象的引用，返回地址等。在局部变量表中，只有long和double类型会占用2个局部变量空间（Slot，对于32位机器，一个Slot就是32个bit），其它都是1个Slot。需要注意的是，局部变量表是在编译时就已经确定好的，方法运行所需要分配的空间在栈帧中是完全确定的，在方法的生命周期内都不会改变。

虚拟机栈中定义了两种异常，如果线程调用的栈深度大于虚拟机允许的最大深度，则抛出 StatckOverFlowError （栈溢出）；不过多数Java虚拟机都允许动态扩展虚拟机栈的大小(有少部分是固定长度的)，所以线程可以一直申请栈，直到内存不足，此时，会抛出 OutOfMemoryError （内存溢出）。

2.6 Java对象访问方式

一般来说，一个Java的引用访问涉及到3个内存区域：JVM栈，堆，方法区。以最简单的本地变量引用： Object objRef = new Object() 为例：

Object objRef 表示一个本地引用，存储在JVM栈的本地变量表中，表示一个reference类型数据；
new Object()作为实例对象数据存储在堆中；
堆中还记录了能够查询到此Object对象的类型数据（接口、方法、field、对象类型等）的地址，实际的数据则存储在方法区中；

在Java虚拟机规范中，只规定了指向对象的引用，对于通过reference类型引用访问具体对象的方式并未做规定，不过目前主流的实现方式主要有两种：

2.6.1 通过句柄访问

通过句柄访问的实现方式中，JVM堆中会划分单独一块内存区域作为句柄池，句柄池中存储了对象实例数据（在堆中）和对象类型数据（在方法区中）的指针。这种实现方法由于用句柄表示地址，因此十分稳定。

2.6.2 通过直接指针访问

通过直接指针访问的方式中，reference中存储的就是对象在堆中的实际地址，在堆中存储的对象信息中包含了在方法区中的相应类型数据。这种方法最大的优势是速度快，在HotSpot虚拟机中用的就是这种方式。

三、JVM内存分配

Java对象所占用的内存主要在堆上实现，因为堆是线程共享的，因此在堆上分配内存时需要进行加锁，这就导致了创建对象的开销比较大。当堆上空间不足时，会出发GC，如果GC后空间仍然不足，则会抛出OutOfMemory异常。

为了提升内存分配效率，在年轻代的Eden区HotSpot虚拟机使用了两种技术来加快内存分配，分别是 bump-the-pointer 和 TLAB（Thread-Local Allocation Buffers）。由于Eden区是连续的，因此bump-the-pointer技术的核心就是跟踪最后创建的一个对象，在对象创建时，只需要检查最后一个对象后面是否有足够的内存即可，从而大大加快内存分配速度；而对于TLAB技术是对于多线程而言的，它会为每个新创建的线程在新生代的Eden Space上分配一块独立的空间，这块空间称为TLAB（Thread Local Allocation Buffer），其大小由JVM根据运行情况计算而得。可通过 -XX:TLABWasteTargetPercent 来设置其可占用的Eden Space的百分比，默认是1%。在TLAB上分配内存不需要加锁，一般JVM会优先在TLAB上分配内存，如果对象过大或者TLAB空间已经用完，则仍然在堆上进行分配。因此，在编写程序时，多个小对象比大的对象分配起来效率更高。可在启动参数上增加 -XX:+PrintTLAB 来查看TLAB空间的使用情况。