Java虚拟机（四）-JVM内存机制

        内存作为系统中重要的资源，对于系统稳定运行和高效运行起到了关键的作用，Java和C之类的语言不同，不需要开发人员来分配内存和回收内存，而是由JVM来管理对象内存的分配以及对象内存的回收（又称为垃圾回收、GC），这对于开发人员来说确实大大降低了编写程序的难度，但带来的一个副作用就是，当系统运行过程中出现JVM抛出的内存异常（例如OutOfMemoryError）的时候，很难知道原因是什么，另外一方面，要编写高性能的程序，通常需要借助内存来提升性能，因此如何才能合理的使用内存以及让JVM合理的进行内存的回收是必须掌握的。

首先我们来了解JVM specification中的JVM整体架构。如下图：

        主要包括两个子系统和两个组件： Class loader(类装载器)子系统，Execution engine(执行引擎)子系统；Runtime data area (运行时数据区域)组件， Native interface(本地接口)组件。

        Class loader子系统的作用：根据给定的全限定名类名(如 java.lang.Object)来装载class文件的内容到 Runtime data area中的method area(方法区域)。Javsa程序员可以extends java.lang.ClassLoader类来写自己的Class loader。

        Execution engine子系统的作用：执行classes中的指令。任何JVM specification实现(JDK)的核心是Execution engine，换句话说：Sun的JDK和IBM的JDK好坏主要取决于他们各自实现的Execution engine的好坏。每个运行中的线程都有一个Execution engine的实例。

Native interface组件：与native libraries交互，是其它编程语言交互的接口。

       Runtime data area组件：这个组件就是JVM中的内存。下面对这个部分进行详细介绍。回收内存，而是由JVM来管理对象内存的分配以及对象内存的回收（又称为垃圾回收、GC），这对于开发人员来说确实大大降低了编写程序的难度，但带来的一个副作用就是，当系统运行过程中出现JVM抛出的内存异常（例如OutOfMemoryError）的时候，很难知道原因是什么，另外一方面，要编写高性能的程序，通常需要借助内存来提升性能，因此如何才能合理的使用内存以及让JVM合理的进行内存的回收是必须掌握的。

       Runtime data area主要包括六个部分：Heap (堆), Method Area(方法区域), Java Stack(java的栈), Program Counter(程序计数器), Native method stack(本地方法栈),运行时常量池（Runtime Constant Pool）。Heap和Method Area是被所有线程的共享使用的；而Java stack, Program counter 和Native method stack是以线程为粒度的，每个线程独自拥有。

Heap（堆）

      Heap是大家最为熟悉的区域，它是JVM用来存储对象实例以及数组值的区域，可以认为Java中所有通过new创建的对象的内存都在此分配，Heap中的对象的内存需要等待GC进行回收，Heap在32位的操作系统上最大为2G，在64位的操作系统上则没有限制，其大小通过-Xms和-Xmx来控制，-Xms为JVM启动时申请的最小Heap内存，默认为物理内存的1/64但小于1G，-Xmx为JVM可申请的最大Heap内存，默认为物理内存的1/4但小于1G，默认当空余堆内存小于40%时，JVM会增大Heap的大小到-Xmx指定的大小，可通过-XX:MinHeapFreeRatio=来指定这个比例，当空余堆内存大于70%时，JVM会将Heap的大小往-Xms指定的大小调整，可通过-XX:MaxHeapFreeRatio=来指定这个比例，但对于运行系统而言，为了避免频繁的Heap Size的大小，通常都会将-Xms和-Xmx的值设成一样，因此这两个用于调整比例的参数通常是没用的，Java 1.2以上的版本对jvm内存进行了分代管理。

     JVM将Heap分为NewGeneration和Old Generation（或Tenured Generation）两块来进行管理：

   1、New Generation

   又称为新生代，程序中新建的对象都将分配到新生代中，新生代又由Eden Space和两块Survivor Space构成，可通过-Xmn参数来指定其大小，Eden Space的大小和两块Survivor Space的大小比例默认为8，即当New Generation的大小为10M时，Eden Space的大小为8M，两块Survivor Space各占1M，这个比例可通过-XX:SurvivorRatio来指定。

   2、Old Generation

   又称为旧生代，用于存放程序中经过几次垃圾回收还存活的对象，例如缓存的对象等，旧生代所占用的内存大小即为-Xmx指定的大小减去-Xmn指定的大小。

   堆是JVM中所有线程共享的，因此在其上进行对象内存的分配均需要进行加锁，这也导致了new对象的开销是比较大的，鉴于这样的原因，Sun Hotspot JVM为了提升对象内存分配的效率，对于所创建的线程都会分配一块独立的空间，这块空间又称为TLAB（Thread Local Allocation Buffer），其大小由JVM根据运行的情况计算而得，在TLAB上分配对象时不需要加锁，因此JVM在给线程的对象分配内存时会尽量的在TLAB上分配，在这种情况下JVM中分配对象内存的性能和C基本是一样高效的，但如果对象过大的话则仍然是直接使用堆空间分配，TLAB仅作用于新生代的Eden Space，因此在编写Java程序时，通常多个小的对象比大的对象分配起来更加高效，但这种方法同时也带来了两个问题，一是空间的浪费，二是对象内存的回收上仍然没法做到像Stack那么高效，同时也会增加回收时的资源的消耗，可通过在启动参数上增加-XX:+PrintTLAB来查看TLAB这块的使用情况。

   当堆中需要使用的内存超过其允许的大小时，会抛出OutOfMemory的错误信息。

MethodArea(方法区域)

   方法区域存放了所加载的类的信息（名称、修饰符等）、类中的静态变量、类中定义为final类型的常量、类中的Field信息、类中的方法信息，当开发人员在程序中通过Class对象中的getName、isInterface等方法来获取信息时，这些数据都来源于方法区域，可见方法区域的重要性，同样，方法区域也是全局共享的，在一定的条件下它也会被GC，当方法区域需要使用的内存超过其允许的大小时，会抛出OutOfMemory的错误信息。

   在Sun JDK中这块区域对应的为PermanetGeneration，又称为持久代，默认为64M，可通过-XX:PermSize以及-XX:MaxPermSize来指定其大小。

JavaStack(java的栈)

    JVM栈是线程私有的，每个线程创建的同时都会创建JVM栈，JVM栈中存放的为当前线程中局部基本类型的变量（java中定义的八种基本类型：boolean、char、byte、short、int、long、float、double）、部分的返回结果以及Stack Frame，非基本类型的对象在JVM栈上仅存放一个指向堆上的地址，因此Java中基本类型的变量是值传递，而非基本类型的变量是引用传递，SunJDK的实现中JVM栈的空间是在物理内存上分配的，而不是从堆上分配。

    由于JVM栈是线程私有的，因此其在内存分配上非常高效，并且当线程运行完毕后，这些内存也就被自动回收。

    当JVM栈的空间不足时，会抛出StackOverflowError的错误，在Sun JDK中可以通过-Xss来指定栈的大小，例如如下代码：

new Thread(newRunnable(){   public void run() {      loop(0);      }      private voidloop (int i){           if(i!=1000){               i++;               loop (i);           }else{               return;           }      }   }).start();

当JVM参数设置为-Xss1K，运行后会报出类似下面的错误：Exception inthread "Thread-0" java.lang.StackOverflowError。

ProgramCounter(程序计数器)

   每个运行中的Java程序，每一个线程都有它自己的PC寄存器，也是该线程启动时创建的。PC寄存器的内容总是指向下一条将被执行指令的地址;，这里的地址可以是一个本地指针，也可以是在方法区中相对应于该方法起始指令的偏移量。

Nativemethod stack(本地方法栈)

   JVM采用本地方法堆栈来支持native方法的执行，此区域用于存储每个native方法调用的状态。

例如有这么一段代码：

public class A {public static void main(String[] args) {String a = "a";String b = "b";String ab = "ab";System.out.println((a + b) == ab); // falseSystem.out.println(("a" + "b") == ab); // truefinal String afinal = "a";String result = afinal + "b";System.out.println(result == ab); // trueString plus = a + "b";System.out.println(plus == ab); // falseSystem.out.println(plus.intern() == ab); // true}}

分析下上面代码执行的结果，可通过javap –verbose A来辅助理解分析。

(a+b)==ab：a+b是两个变量相加，需要到运行时才能确定其值，到运行时后JVM会为两者相加后产生一个新的对象，因此a+b==ab的结果为false。

(“a”+”b”)==ab：“a”+”b”是常量，在编译时JVM已经将其变为”ab”字符串了，而ab=”ab”也是常量，这两者在常量池即为同一地址，因此(“a”+”b”)==ab为true。

result==ab：result=afinal+”b”，afinal是个final的变量，result在编译时也已经被转变为了”ab”，和”ab”在常量池中同样为同一地址，因此result==ab为true。

plus=ab：plus和a+b的情况是相同的，因此plus==ab为false。

plus.intern()==ab：这里的不同点在于调用了plus.intern()方法，这个方法的作用是获取plus指向的常量池地址，因此plus.intern()==ab为true。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）

   类似C中的符号表，存放的为类中的固定的常量信息、方法和Field的引用信息等，其空间从方法区域中分配。

   在掌握了JVM对象内存分配的机制后，来看看JVM是如何做到自动的对象内存回收的，这里指的的是Heap以及Method Area的回收，其他几个区域的回收都由JVM简单的按生命周期来进行管理。