JVM系列之.JVM内存模型如何正确运用操作？本文详解

 

《Java虚拟机规范》将虚拟机的内存分为以下几个区域：

• 堆区：堆区是JVM中最大的一块内存区域，按照垃圾分代收集的角度划分，又可以分成年轻代和老年代，而年轻代内存又被分成三部分，Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间，默认情况下年轻代按照8:1:1的比例来分配；
• 方法区：存储类信息、常量、静态变量等数据，是线程共享的区域；
• 栈区：栈区有线程独享，栈区又可以具体分为虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器。
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堆区

堆区是虚拟机管理的内存中最大的一块。这块内存区域的主要功能就是存放Java对象和数组。这个区域是被所有线程共享的。

根据《Java虚拟机规范》的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但在逻辑上它应该被视为连续的，这点就像我们用磁盘空间去存储文件一样，并不要求每个文件都连续存放。但对于大对象（典型的如数组对象），多数虚拟机实现出于实现简单、存储高效的考虑，很可能会要求连续的内存空间。

有些资料上会提到堆区的内存空间可以继续分成“新生代”、“老年代”、“永久代”、“Eden空间”、“From Survivor空间”和“ToSurvivor空间”等。

需要注意的是这种划分方式不是《Java虚拟机规范》对Java堆的进一步划分，而是因为现在很多垃圾收集算法都是根据分代理论进行垃圾收集的，所以才有这样的划分方式。

但现如今HotSpot中也出现了不采用分代设计的新垃圾收集器，再按照上面的提法就有很多需要商榷的地方了。

Java堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过参数-Xmx和-Xms设定）。如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。

Java堆区相关的控制参数

• -Xms设置堆的最小空间大小。
• -Xmx设置堆的最大空间大小。
• -XX:NewSize设置新生代最小空间大小。
• -XX:MaxNewSize设置新生代最大空间大小。
• -Xss设置每个线程的堆栈大小。

没有直接设置老年代的参数，但是可以设置堆空间大小和新生代空间大小两个参数来间接控制。

栈区

从上面的介绍可以知道，栈区可以分为

• 虚拟机栈
• 本地方法栈
• 程序计数器区

虚拟机栈

Java虚拟机栈是线程私有的，生命周期和线程相同。

虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧（StackFrame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

在《Java虚拟机规范》中，对这个内存区域规定了两类异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展[插图]，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。

《Java虚拟机规范》对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有任何强制规定，因此具体的虚拟机可以根据需要自由实现它，甚至有的Java虚拟机（譬如Hot-Spot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

程序计数器

程序计数器可以看作是当前线程所执行字节码的行号指示器。在Java虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作时就是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，它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是本地（Native）方法，这个计数器值则应为空（Undefined）。此内存区域是唯一一个在《Java虚拟机规范》中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

方法区

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。

在JDK 8以前，很多地方会将方法区和永久代的概念等价，并且使用下面的参数设置永久代的大小。

• -XX:PermSize设置永久代最小空间大小。
• -XX:MaxPermSize设置永久代最大空间大小。

到了JDK 8中，HotSpot的开发团队完全废弃了永久代（PermGem）的概念，改用与JRockit、J9一样在本地内存中实现的元空间（Meta-space）来代替，把JDK 7中永久代还剩余的内容（主要是类型信息）全部移到元空间中。因此上面的参数在JDK 8以后也不再适用了。

《Java虚拟机规范》对方法区的约束是非常宽松的，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，甚至还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域的确是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。

根据《Java虚拟机规范》的规定，如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

使用以下参数可以设置元空间的大小

• -XX:MaxMetaspaceSize=128m

假如不设置这个参数，元空间的大小将不受约束。系统能提供多大的内存，元空间就能使用多少内存。

运行时常量池

运行时常量池也是方法区的一部分。运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是说，并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可以将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法。

直接内存

这边讲的直接内存并不属于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。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。

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（包括物理内存、SWAP分区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制，一般服务器管理员配置虚拟机参数时，会根据实际内存去设置-Xmx等参数信息，但经常忽略掉直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

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