谈谈JVM内存区域的划分

我们知道，计算机CPU和内存的交互是最频繁的，内存是我们的高速缓存区，用户磁盘和CPU的交互，而CPU运转速度越来越快，磁盘远远跟不上CPU的读写速度，才设计了内存，用户缓冲用户IO等待导致CPU的等待成本，但是随着CPU的发展，内存的读写速度也远远跟不上CPU的读写速度，因此，为了解决这一纠纷，CPU厂商在每颗CPU上加入了高速缓存，用来缓解这种症状，因此，现在CPU同内存交互就变成了下面的样子.

 同样，根据摩尔定律，我们知道单核CPU的主频不可能无限制的增长，要想很多的提升新能，需要多个处理器协同工作， Intel总裁的贝瑞特单膝下跪事件标志着多核时代的到来。

 基于高速缓存的存储交互很好的解决了处理器与内存之间的矛盾，也引入了新的问题：缓存一致性问题。在多处理器系统中，每个处理器有自己的高速缓存，而他们又共享同一块内存（下文成主存，main memory 主要内存），当多个处理器运算都涉及到同一块内存区域的时候，就有可能发生缓存不一致的现象。为了解决这一问题，需要各个处理器运行时都遵循一些协议，在运行时需要将这些协议保证数据的一致性。这类协议包括MSI、MESI、MOSI、Synapse、Firely、DragonProtocol等。如下图所示

 Java虚拟机内存模型中定义的访问操作与物理计算机处理的基本一致！

 java中通过多线程机制使得多个任务同时执行处理，所有的线程共享JVM内存区域main memory，而每个线程又单独的有自己的工作内存，当线程与内存区域进行交互时，数据从主存拷贝到工作内存，进而交由线程处理（操作码+操作数）,因此在jvm中，有的区域是以线程为单位，而有的区域则是整个JVM进程唯一的.如下图所示:

其中java栈,本地方法栈还有程序计数器为线程私有,而堆内存和方法区内存为线程共享的部分.

1. 首先介绍上图各区域的职责：

• 程序计数器：程序计数器是很少的一部分内存空间，它保存的是程序当前执行的指令的地址，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.
• （注：1.当cpu在执行本地方法，则程序计数器是未指定值（undefned）　　2.在JVM中多线程是通过线程轮流切换来获得CPU执行时间的，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，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.　　3.程序计数器是jvm内存环境中为一个不会发生OOM异常的区域）
• Java虚拟机栈:早期也叫Java栈。每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈,因此它是线程私有的，其内部保存一个个的栈帧，对应着一次次的Java方法调用。当有方法调用的时候就会将方法封装到一个栈帧中进行压栈,方法执行完成后弹栈，某一时间对应的只会有一个活动的栈帧，通常叫作当前帧，方法所在的类叫作当前类。如果在该方法中调用了其他方法，对应的新的栈帧会被创建出来，成为新的当前帧，一直到它返回结果或者执行结束。在每一个栈帧中都有一个区域存放本地变量表用于存放此方法执行过程所需要的基本类型和对象引用（注：这部分空间实在预编译阶段可预测的）。
• （当栈的深度大于虚拟机所允许的深度时则会抛出Stack Overflow Eorror，但是一般虚拟机都会允许动态扩展栈内存，即当占内存不够时会向虚拟机申请扩大内存，如果扩展后的内存空间仍然不够的话，就会抛出OOM异常）
• 本地方法栈：它和Java虚拟机栈的内存机制相同，本地方法栈则是为执行本地方法（Native Method）服务的。在Oracle Hotspot JVM中，本地方法栈和Java虚拟机栈是在同一块儿区域，这完全取决于技术实现的决定，并未在规范中强制

• Java 堆：Java 堆是被所有线程共享的一块内存区域，在JVM启动时创建，随着JVM的结束而消亡。此内存区域所占的面积最大，他主要是用于存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。因此他也是垃圾回收器主要关注的区域，当创建的对象实例特别多导致顿内存空间不够时，此区域会发上OOM异常。堆内空间还会被不同的垃圾收集器进行进一步的细分，最有名的就是新生代、老年代的划分。

• 方法区：这也是所有线程共享的一块内存区域，用于存储对象的类型数据，例如类结构信息，静态变量，以及常量池、字段、方法代码等。由于早期的Hotspot JVM实现，很多人习惯于将方法区称为永久代。注意：Oracle JDK 8中将永久代移除，同时增加了元数据区（Metaspace）。JVM对永久代垃圾回收（如，常量池回收、对象类型的卸载）非常不积极，所以当我们不断添加新类型的时候，永久代会出现OutOfMemoryError，尤其是在运行时存在大量动态类型生成的场合；类似Intern字符串缓存占用太多空间，也会导致OOM问题

• （注：运行时常量池：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。有关具体内容可参见）

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以上介绍的是最常谈到的内存区域，那我们在看一下在真正的JVM运行中还会需要占用那些空间，为了有个更加直观、清晰的印象，我画了一个简单的内存结构图：

这张图反映了实际中JVM的内存占用，它还额外划分出了直接内存等区域。毕竟理论上的视角和现实中的视角是有区别的，规
范侧重的是通用的、无差别的部分，而对于应用开发者来说，只要是Java进程在运行时会占用，都会影响到我们的工程实践。

• 直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是JVM规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError 异常出现，所以我们放到这里一起讲解。在JDK 1.4 中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O 方式，它可以使用Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java 堆里面的DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java 堆和Native 堆中来回复制数据。

  本机直接内存的分配不会受到Java 堆大小的限制，但是，既然是内存，则肯定还是会受到本机总内存的大小及处理器寻址空间的限制。因此在分配JVM空间的时候应该考虑直接内存所带来的影响，特别是应用到NIO的场景。

• Code Cache：JVM本身是个本地程序，还需要其他的内存去完成各种基本任务，比如，JIT 编译器在运行时对热点方法进行编译，就会将编译后的方法储存在Code Cache里面；GC等功能。需要运行在本地线程之中，类似部分都需要占用内存空间。这些是实现JVM JIT等功能的需要，但规范中并不涉及。

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　　2.java中JVM的内存优化

由于此文主要讲解的是JVM的内存区域划分，因此关于JVM内存回收的知识，不在重点说明，可点击链接跳转到以前的文章

JVM内存的调优主要的目的是减少Minor GC的频率和Full GC的次数，过多的Minor GC和Full GC是会占用很多的系统资源，影响系统的吞吐量。

1.  年轻代分三个区，一个Eden区，两个Survivor区（from和to区），可以通过-XXSurvivorRatio调整比例

• 作用：默认-XX:SurvivorRatio＝8，表示Survivor区与Eden区的大小比值是1:1:8，在MinorGC过程，如果survivor空间不够大，不能够存储所有的从eden空间和from suvivor空间复制过来活动对象，溢出的对象会被复制到old代，溢出迁移到old代，会导致old代的空间快速增长

2.  大部分对象在先在Eden区中申请内存。

• 作用：可以通过设置-XX:PreTenureSizeThreShold大小，令大于这个值的对象直接保存到年老代，避免在Eden区与Survivor区之间频繁地通过复制算法回收内存

3.  当Eden区满时，无法为新的对象分配内存时，会进行Minor GC对其回收无用对象占用的内存，如果还有存活对象，则将存活的对象复制到Survivor From区（两个中Survivor对称）；然后从Eden区存活下来的对象，就会被复制到From，当这个From区满时，此区的存活对象将被复制到To区，接下来Eden区存活下来的对象就会被复制到To区，经历一定的次数Minor GC后，还存活的对象，将被复制“年老区(Tenured)”。

• 作用：Minor默认15次，可通过-MaxTenuringThreshold参数调整年轻代回收次数，防止对象过早进入年老代，降低年老代溢出的可能性

4.  年轻代和年老代的默认比例为1:2，即年轻代占堆内存的1/3，年老代占2/3，可调整-XX:NewRatio的大小设置年轻和年老的比例。

• 作用：默认-XX:NewRatio＝2，即young:tenured＝1:2，适当调整年轻代大小，可以一定层度上较少Full GC出现的概率

　　其余性能调优常用参数设置

1. -Xms and -Xmx (or: -XX:InitialHeapSize and -XX:MaxHeapSize)：指定JVM的初始和最大堆内存大小，两值可以设置相同，以避免每次垃圾回收完成后JVM重新分配内存。
2. -Xmn：设置年轻代大小。整个堆大小=年轻代大小 + 年老代大小 + 持久代大小。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。
3. -Xss：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。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。
4. -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError and -XX:HeapDumpPath：让JVM在发生内存溢出时自动的生成堆内存快照（堆内存快照文件有可能很庞大，推荐将堆内存快照生成路径指定到一个拥有足够磁盘空间的地方。）
5. -XX:OnOutOfMemoryError：当内存溢发生时，我们甚至可以可以执行一些指令，比如发个E-mail通知管理员或者执行一些清理工作（$ java -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=/tmp/heapdump.hprof -XX:OnOutOfMemoryError ="sh ~/cleanup.sh" MyApp）
6. -XX:PermSize and -XX:MaxPermSize:设置永久代大小的初始值和最大值（默认：最小值为物理内存的1/64，最大值为物理内存的1/16，永久代在堆内存中是一块独立的区域，这里设置的永久代大小并不会被包括在使用参数-XX:MaxHeapSize 设置的堆内存大小中）
   
7. -XX:PretenureSizeThreshold ：令大于这个设置值的对象直接在老年代分配。这样做的目的是避免在Eden区及两个Survivor区之间发生大量的内存复制

总结：**上面的内容太多总结下面这些事必须要记住的**

-xms 堆内存的初始化大小 

-xmx 堆内存的最大空间

-xmn 年轻代的空间

-xx：PermSize 方法区初始化大小

-xx：MaxPermSize 方法区最大空间

-XX:PretenureSizeThreshold 令大于这个设置值的对象直接在老年代分配

-MaxTenuringThreshold 年龄大于这个值的直接进入老年代

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　　3.深入理解

　　1.Java对象是不是都创建在堆上的呢？

我注意到有一些观点，认为通过逃逸分析，JVM会在栈上分配那些不会逃逸的对象，这在理论上是可行的，但是取决于JVM设计者的选择。据我所知，Oracle Hotspot JVM中并未这么做，这一点在逃逸分析相关的文档里已经说明，所以可以明确所有的对象实例都是创建在堆上。

目前很多书籍还是基于JDK 7以前的版本，JDK已经发生了很大变化，Intern字符串的缓存和静态变量曾经都被分配在永久代上，而永久代已经被元数据区取代。但是，Intern字符串缓存和静态变量并不是被转移到元数据区，而是直接在堆上分配，所以这一点同样符合前面一点的结论：对象实例都是分配在堆上。

　　 2.创建一个对象的实现细节

在Java 语言中，对象访问是如何进行的？对象访问在Java 语言中无处不在，是最普通的程序行为，但即使是最简单的访问，也会却涉及Java 栈、Java 堆、方法区这三个最重要内存区。

如下面的这句代码：

 Object obj = new Object(); 

假设这句代码出现在方法体中，那“Object obj”这部分的语义将会反映到Java 栈的本地变量表中，作为一个reference 类型数据出现。而“new Object()”这部分的语义将会反映到Java 堆中，形成一块存储了Object 类型所有实例数据值（Instance Data，对象中各个实例字段的数据）的结构化内存，根据具体类型以及虚拟机实现的对象内存布局（Object Memory Layout）的不同，这块内存的长度是不固定的。另外，在Java 堆中还必须包含能查找到此对象类型数据（如对象类型、父类、实现的接口、方法等）的地

址信息，这些类型数据则存储在方法区中。

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：使用句柄和直接指针。

句柄访问方式：Java 堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据和类型数据的具体地址信息，如下图所示。

直接指针访问方式：Java 堆对象信息中必须存放一个指针放置访问类型数据地址，栈中reference 中直接存储的就是对象地址，如下图所示

两种方式的区别：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 中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（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数据指针，而reference 本身不需要被修改。使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。就文讨论的主要虚拟机Sun HotSpot 而言，它是使用第二种方式进行对象访问的，但从整个软件开发的范围来看，各种语言和框架使用句柄来访问的情况也十分常见。