JVM详细解析（Java 8 HotSpot VM内存分配、GC）

1 简介

JVM是Java虚拟机的简称，是为了保证Java程序能运行在不同操作系统上的一个虚拟机器，它不直接与硬件交互，而是运行在操作系统上，所有的Java线程都会调用操作系统的线程，通常是C线程，所有的系统线程均通过CPU进行管理与分配。

VisualVM分析java heap_java

2 JVM角色

  • 虚拟机Stack
  • 本地方法栈
  • 程序计数器
  • 堆
  • 方法区
  • 类加载器
  • 执行引擎

2.1 线程私有内存

线程的私有内存包括虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。

  1. 虚拟机栈通常是在线程启动之前被创建，用来存储方法、局部变量、8种基本数据类型、操作状态(出、入栈)、方法动态链接，方法出口，调用一个方法，伴随着方法的入栈，结束方法，伴随着出栈，每个方法在栈中都意味着一个栈帧，他与线程同声明周期。
  2. 本地方法栈，与虚拟机栈的功能相当，只不过存储的是本地方法的相关内容，native 方法通常是用来与硬件交互的，现在已经很少使用了，通常只出现在用Java驱动硬件的场景，如打印机等等。
  3. 程序计数器，这个程序计数器是用来保存线程下一个执行链接的，是线程运行字节码的行号计数器，用来表示线程执行的进度，这里是不会发生OOM的。

2.2 线程共享区域

线程共享区域主要包括堆、元空间（方法区）

  1. 堆，这是存储对象实例的地方，是GC的主要区域，由于Java的GC属于分代回收，所以堆可以按照**(1:2)[young:old]**,同时young又按照（8:1:1）[eden,s-from,s-to]进行内存分配。
  2. 之前叫方法区，主要存储(常量、静态变量、类信息、运行时常量池)，但是后来改成MetaSpace后将运行时常量池划、静态变量、常量分到堆的一部分，同时Class类信息被分到了native内存，方法区这里基本不会发生GC，就算GC也只是简单的常量回收以及类的卸载，收益很小。

2.3 类加载器（双亲委派机制）

ClassLoader叫做类加载器，通常分为自带的类加载器

  • 启动类加载器
  • 扩展类加载器
  • 系统类加载器(应用程序加载器)
  • 用户自定义加载器

类加载器遵循双亲委派机制，通常当一个类来了之后，不会立马交给当前类加载器加载，首先优先交给父类加载器进行尝试加载，如果在该加载器的类路径下加载不到该类，那么就交给下级进行加载。

rt.jar是java运行时的核心jar包，里面包含lang，util等核心包，通常java.lang.Object这个类最终会交给启动类加载器进行加载，这样的好处是不管使用哪个加载器加载该类，最终的Object类都是一致的。

3 java GC

首先Java GC主要发生在Heap堆共享内存中，之前讲过堆实际上是分为如下几层：

  • young：1
  • eden：8
  • survivor_from ：1
  • survivor_to ：1
  • old ：2

注：:后面为内存空间所分配的比例

3.1 minor GC

这是发生在young区域的GC，通常GC算法使用复制算法，简单的流程为复制-清除-替换

  1. 将eden与survivor from区域的可回收对象进行标记，将不可回收的对象全部复制survivor to区域，同时将年龄+1，如果survivor to的空间不够，那么将数据移动到old区域。
  2. 然后将标记需要被清除的数据进行清除。
  3. 将survivor from 与survivor to进行位置的交换。

3.2 full GC（major GC）

major GC主要发生在老年代，通常是old区域满了之后才开始进行。

如果在FullGC完成之后依然无法进行对象的保存，那么就会产生OOM（java.lang.OutOfMemoryError: java heap space 异常）！通常有以下原因。

  • Java虚拟机分配的堆内存不够，可以通过 -Xms -Xmx进行堆内存的设置。
  • 代码中创建了大量的对象，且这些对象不能被垃圾收集器回收，仍然处于被引用的状态。

4 常用的JVM调优

4.1 Java 7

  • -Xms ：最小Heap内存设置
  • -Xmx：最大heap内存设置
  • -Xmn：young区域内存设置
  • -XX:PermSize：永久代(方法区)内存设置
  • -XX:MaxPermSize：永久代(方法区)最大内存设置

4.2 Java 8

  • -Xms ：最小Heap内存设置，默认为物理内存的1/64.
  • -Xmx：最大heap内存设置，默认为物理内存的1/4.
  • -Xmn：young区域内存设置

在Java8中，永久代(方法区）已经被移除，被一个叫做MetaSpace的区域替代，两者本质相同，只不过，MetaSpace已经不属于JVM的内存区域，而是本地内存的一部分，受操作系统控制，也被称为non-heap内存，从此JVM能加载多少类的元数据就不受PermSize的控制了。

4.3 常用的VM参数示例

-Xms1024m -xmx1024m -XX:PrintGcDetails #很多Java编写的组件，框架都有对用的JVM调优以及GC优化