JVM内存模型_Minor GC笔记

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发布时间：2019-05-25

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JVM内存模型

内存模型与上下游的关系图

JVM内存模型图

JVM内存模型分类/以线程维度划分

JVM内存模型从线程维度可以划分为：线程共享内存、线程私有内存、直接内存。

一、直接内存

直接内存不在JVM的堆范围之内，但是JVM会使用到。直接内存不是JVM运行时数据区的一部分，但也会频繁被使用。在JDK1.4引入的NIO提供了基于Chanel与Buffer的IO方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后使用DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作，这样就避免了Java堆和Native堆来回复制，因此可以显著提高性能。

本机直接内存的分配不受Java堆大小的限制，不会遵守-Xms、-Xmx等配置。但是仍会受到本机内存大小+寻址空间的限制，因此扩展时也会出现OutOfMemeoryError。

二、线程私有内存

线程私有内存包括三种：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈。

1.程序计数器（Program Counter Register）

程序计数器是一块较小的内存空间，它的作用可以看作是当前线程所执行的字节码行号指示器。在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，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复登基础功能都需要依赖计数器完成。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，任何一个确定是时刻，一个处理器（对于多喝处理器来说是一个内核）只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为线程私有内存。

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Native方法，这个计数器记录的值为空（Undefined）。

程序计数器的内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中内有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

2.虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）

Java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame），用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机中入栈到出栈的过程。

（一）局部变量表

局部变量表是一组变量值存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。在Java程序被编译成class文件时，就在方法的凑得属性的max_locals数据项中确定了该方法所需要分配的最大局部变量表的容量。局部变量表存放了编译器可知的各种数据类型。包括基本数据类型、对象引用（reference类型）、returnAddress类型。局部变量表的容量以变量槽（Slot）为最小单位。

基本数据类型：32位虚拟机中一个Slot可以存放一个32位以内的数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、reference和returnAddress八种），64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot）。

对象引用(reference类型)：虚拟机规范没有明确说明它的长度，但一般来说，虚拟机实现至少都应当能从此引用中直接或者间接地查找到对象在Java堆中的起始地址索引和方法区中的对象类型数据。

returnAddress类型：为字节码指令jsr、jsr_w和ret服务的，它指向了一条字节码指令的地址。

虚拟机是使用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递过程的，如果是实例方法（非static），那么局部变量表的第0位索引的Slot默认是用于传递方法所属对象实例的引用，在方法中通过this访问。

Slot是可以重用的，当Slot中的变量超出了作用域，那么下一次分配Slot将会覆盖原来的数据，Slot对对象的引用会影响GC(要是被引用将不会被回收)

系统不会为局部变量赋予初始值（实例变量和类变量都会被赋予初始值）。也就是说不存在类变量那种准备阶段。

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常：

如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将会抛出StackOverflowError异常。

如果虚拟机栈可以动态扩展，当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

（二）操作数栈

操作数栈是被组织成一个以字长为单位的数组，和局部变量表不同，它不是通过索引来访问，而是通过标准的栈操作（压栈和出栈）来访问。如果某个指令把一个值压入到操作数栈中，稍后另一个指令可以弹出这个指来使用。

虚拟机栈在操作数栈中存储数据的方式和局部变量表是一样的。对于byte、short以及char类型的值压入到操作数栈之前也会被转换为int。

虚拟机把操作数栈作为它的工作区（大多数指令都要从这里弹出数据，执行运算，然后把结果压回操作数栈）。

（三）动态链接

动态链接：虚拟机运行的时候，运行时常量会保存大量的符号引用，这些符号引用可以看成是每个方法的间接引用。如果代表栈帧A的方法想调用代表栈帧B的方法，那么这个虚拟机的方法调用指令就会以B方法的符号引用作为参数，但是因为符号引用并不是直接指向代表B方法的内存位置，所以在调用之前还必须要将符号引用转换为直接引用，然后通过直接引用才可以访问到真正的方法。

如果符号引用是在类加载阶段或者第一次使用的时候转化为直接应用，那么这种转换成为静态解析。

如果是在运行期间转换为直接引用，那么这种转换就成为动态连接。

（四）方法出口

方法的返回分为两种情况：

正常退出，退出后会根据方法的定义来决定是否要传返回值给上层调用者（调用者的PC计数器的值就可以作为方法出口）。

异常退出，这种情况不会传返回值给上层调用者（需要通过异常处理来确定）。

无论哪种方式的方法结束，在退出当前方法时都会跳转到当前方法被调用的位置。

方法的一次调用就对应着栈帧在虚拟机栈中的一次入栈和出栈操作，因此方法退出时可能做的事情包括：恢复上层方法的局部变量表以及操作数栈，如果有返回值的话，就把返回值压入到调用者栈帧的操作数栈中，还会把PC计数器的值调整为方法调用入口的下一条指令

深入Java虚拟机栈可参考：

3.本地方法栈（Native Method Stack）

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用非常类似，其区别是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。本地方法栈也是线程私有的。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（如HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

三、线程共享内存

线程共享内存包括两种：方法区和堆。

1.方法区（Method Area）

方法区在一个JVM实例的内部，类信息被存储在一个被称为方法区的内存逻辑区中。类信息是由类加载器在类加载时从类文件中提取出来的。类变量（静态变量）也存储在方法区中。简单说方法区用来存储类的元数据信息，一个.class文件是类被Java虚拟机使用之前的表现形式，一旦这个类要被使用，Java虚拟机就会对其进行装载、连接（验证、准备、解析）和初始化，而装载后的结果就是由.class文件转变为方法区中的一段特定的数据结构。

（一）方法区数据结构

类型信息：全限定名、直接超类的全限定名、类的类型还是接口类型、访问修饰符、直接超接口的全限定名的有序列表

字段信息：字段名、字段类型、字段的修饰符

方法类型：方法名、方法返回类型、字段的修饰符

其他信息：除了常量以外的所有类变量（静态变量）、一个指向ClassLoader的指针、一个指向Class对象的指针、常量池（常量数据以及对其他类型的符号引用）

（二）方法区的特点

方法区是线程安全的。由于所有线程都共享方法区，所以方法区的数据访问必须设计成线程安全的。

方法区的大小不必固定。JVM可以根据应用需要动态调整。

方法区也可以被垃圾回收。当某个类不再被使用时，JVM将卸载这个类，进行垃圾回收。但垃圾回收在这个区域比较少出现。

对于HotSpot虚拟机而言，大多数任愿意把方法区称为永久代（Permanent Generation）。本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。对于其他虚拟机来说是不存在永久代的概念的。

当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

（三）方法区的内存大小设置

jdk6，jdk7 永久区

-XX:PermSize=10M 初始化方法区大小为10M。-XX:MaxPermSize 方法区最大内存为10M。-XX:PrintGCDetails 打印日志详情。

jdk8 元数据区（jdk8中永久区被移除了，取而代之的是元数据区，可能方法区依赖jvm的内存吧）

-XX:MetaspaceSize=10M-XX:MaxMetaspaceSize=10M

元数据区：元数据区是堆外直接内存（永久区不是），在不指定大小的情况下，虚拟机会耗尽所有可用的系统内存。

元数据区发生溢出，虚拟机一样抛出异常，如下：java.lang.OutOfMemoryError Metaspace

2.堆（Heap）

对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称为GC堆。如果从回收的角度看，由于现在收集器基本都是采用分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代。再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。

根据Java虚拟机规范，Java堆可以处于物理上不连续的空间中，只要逻辑上是连续的即可。在实现时既可以实现成固定大小的，也可以时可扩展的，当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现（通过-Xmx和-Xms控制）。

如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法完成再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

堆大小=新生代（Young） + 老年代（Old）。其中堆的大小可以通过参数 –Xms、-Xmx 来指定。

默认情况下，新生代（Young）和老年代（Old）的比例值为1:2 (可通过-XX:NewRatio来指定比值)，即新生代（Young）= 1/3 的堆空间，老年代（Old）= 2/3 的堆空间。

（一）新生代

程序创建的对象都是从新生代分配内存，新生代由Eden Space和两块大小相同的Survivor Space（通常称为S0和S1或者From和To）构成。通过-Xmn参数来指定新生代的大小，通过-XX:SurvivorRatio来调整Eden Space及Survivo Space的大小。

新生代的初始值NewSize默认为1M，最大值需要设置，可以通过参数-XX:NewSize和-XX:MaxNewSize或-Xmn进行设置。

老年代与新生代的大小比值，默认为2:1。

SurvivorRatio为新生代中Eden和Survivor的大小比值，默认为8:1。Eden：From：To = 8：1：1。可以通过-XX:SurvivorRatio调整。

JVM每次只会使用Eden和其中的一块Survivor区域来为对象服务，所以无论什么时候，总是有一块Survivor区域是空着的，新生代实际可用内存空间为90%的新生代空间。

Eden区、From区（Survivor0）、To区（Survivor1）工作过程

在未开始GC时，对象只会存在于Eden区和From区，To区是空的。

开始进行GC时，Eden区中所有存活的对象都会被复制到To区，在From区中仍存活的对象会根据他们的年龄值来决定去向,年龄到达一定值（年龄阈值，可以通过-XX:MaxTenuringThreshold来设置，默认为15）的对象会被移动到老年代，没有达到阈值的对象会被复制到To区。经过这次GC后，Eden区和From区已经被清空。

此时，From和To会交换他们的角色。新的To区就是上次GC之前的From区，新的From区就是上次GC之前的To区，无论如何都会保证To区的Survivor区域是空的。

Minor GC会一直重复这样的过程，直到To区被填满，To区被填满会将所有对象移到老年代中。

Minor GC 和 Major GC (Full GC)

GC分为两种：Minor GC 和 Major GC 也称Full GC

（1）Minor GC

Minor GC是发生在新生代中的垃圾收集动作，采用的是复制算法。

当对象在Eden区（包括一个Survivor区，如From）出生后，在经过一次Minor GC 后，如果对象还存活，并且能够被另外一块Survivor区域所容纳（To区），即To区域有足够的内存空间来存储Eden和From中存活的对象。此时使用复制算法，将这些仍然还存活的对象复制到另一块Survivor区域中（To区域）。