? ??????【文章僅供非商業(yè)用途或交流學(xué)習(xí)使用】
? ? ? ? 下圖是經(jīng)典的JVM內(nèi)存布局：
? ? ? ? 1? Heap （堆）
? ? ? ? Heap是OOM故障最主要的發(fā)源地，它存儲(chǔ)著幾乎所有的實(shí)例對(duì)象，堆由垃圾收集器自動(dòng)回收，堆區(qū)域由各子線程共享使用。通常情況下，它所占用的空間是所有內(nèi)存區(qū)域中最大的，但如果無節(jié)制地創(chuàng)建大量對(duì)象，也容易消耗完所有的空間。堆的內(nèi)存空間既可以固定大小，也可以在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)的調(diào)整，比如可以通過-Xms 256M來設(shè)定初始值，通過-Xmx512M來設(shè)定最大值，其中-X代表它是JVM運(yùn)行參數(shù)，ms是memory start的簡(jiǎn)稱，mx是memory max的簡(jiǎn)稱，分別代表最小堆容量和最大堆容量。但是在通常情況下，服務(wù)器在運(yùn)行過程中，堆空間不斷的擴(kuò)容與回縮，會(huì)形成不必要的系統(tǒng)壓力，所以在生產(chǎn)環(huán)境中，建議JVM的Xms和Xmx設(shè)置為同樣大小，以免在GC后調(diào)整堆大小時(shí)帶來的額外壓力。
? ? ? ? 堆分為兩大部分：新生代和老年代。對(duì)象產(chǎn)生之初在新生代，步入暮年時(shí)進(jìn)入老年代，但是老年代也會(huì)接納在新生代無法容納的超大對(duì)象。新生代由1個(gè)Eden區(qū)和2個(gè)Survivor區(qū)組成，絕大部分對(duì)象在Eden區(qū)申城，當(dāng)Eden區(qū)裝填滿的時(shí)候，會(huì)觸發(fā)YGC。當(dāng)垃圾回收的時(shí)候，在Eden區(qū)實(shí)現(xiàn)清除策略，沒有被引用的對(duì)象則直接回收。依然存活的對(duì)象會(huì)被移送到Survivor區(qū)。Survivor區(qū)分為S0和S1兩塊內(nèi)存空間，每次YGC的時(shí)候，它們將存活的對(duì)象復(fù)制到未使用的那塊空間，然后將當(dāng)前正在使用的空間完全清楚，交換兩塊空間的使用狀態(tài)。如果YGC要移送的對(duì)象大于Survivor區(qū)容量的上線，則直接移交給老年代。假如一些沒有進(jìn)取心的對(duì)象以為可以一直在新生代的Survivor區(qū)交換來交換去，那就錯(cuò)了。每個(gè)對(duì)象都有一個(gè)計(jì)數(shù)器，每次YGC都會(huì)加1。-XX:MaxTenuringThreshold參數(shù)能配置計(jì)數(shù)器的值達(dá)到每個(gè)閥值的時(shí)候，對(duì)象從新生代晉升至老年代。如果該參數(shù)配置為1，那么從新聲代的Eden區(qū)直接移至老年代。默認(rèn)值是15，可以再Survivor區(qū)交換14次之后，晉升至老年代。晉升流程圖如下：
? ? ? ? 如圖所示，如果Survivor區(qū)無法放下，或者超大對(duì)象的閾值超過上限，則嘗試在老年代中進(jìn)行分配；如果老年代也無法放下，則會(huì)觸發(fā)FGC。如果依然無法放下，則拋出OOM。堆內(nèi)存出現(xiàn)OOM的概率是所有內(nèi)存耗盡異常中最高的。出錯(cuò)時(shí)的堆內(nèi)信息對(duì)解決問題非常有幫助，所以給JVM設(shè)置運(yùn)行參數(shù)-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError，讓JVM遇到OOM異常時(shí)能輸出堆內(nèi)信息，特別是對(duì)相隔數(shù)月才出現(xiàn)的OOM異常尤為重要。
? ? ? ? 在不同的JVM實(shí)現(xiàn)及不同的回收機(jī)制中，堆內(nèi)存的劃分方式是不一樣的。
? ? ? ? 2? Metaspace（元空間）
? ? ? ? 注：JDK8使用元空間替換了永久代，在JDK8及以上版本中，設(shè)定MaxPermSize參數(shù)，JVM在啟動(dòng)時(shí)并不會(huì)報(bào)錯(cuò)，但是會(huì)提示Hotspot已刪除該設(shè)置項(xiàng)。
? ? ? ? 元空間在本地內(nèi)存中分配。在JDK8中，字符串常量在堆內(nèi)存，其它內(nèi)容包括類元信息、字段、靜態(tài)屬性、方法、常量等都在元空間內(nèi)。
? ? ? ? 3? JVM Stack（虛擬機(jī)棧）
? ? ? ? 棧（Stack）是一個(gè)先進(jìn)后出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就像子彈的彈夾，最后壓入的子彈先發(fā)射，壓在底部的子彈最后發(fā)射，撞針只能訪問位于頂部的那一顆子彈。
? ? ? ? 相當(dāng)于基于寄存器的運(yùn)行環(huán)境來說，JVM是基于棧結(jié)構(gòu)的運(yùn)行環(huán)境，棧結(jié)構(gòu)移植性更好，可控性更強(qiáng)。JVM中的虛擬機(jī)棧是描述Java方法執(zhí)行的內(nèi)存區(qū)域，它是線程私有的。棧中的元素用于支持虛擬機(jī)進(jìn)行方法調(diào)用，每個(gè)方法從開始調(diào)用到執(zhí)行完成的過程，就是棧幀從入棧到出棧的過程。在活動(dòng)線程中，只有位于棧頂?shù)膸攀怯行У?，成為?dāng)前棧幀。賑災(zāi)執(zhí)行的方法稱為當(dāng)前方法，棧幀是方法運(yùn)行的基本結(jié)構(gòu)。在執(zhí)行引擎運(yùn)行時(shí)，所有指令都只能針對(duì)當(dāng)前棧幀進(jìn)行操作。而StackOverflowError表示請(qǐng)求的棧溢出，導(dǎo)致內(nèi)存耗盡，通常出現(xiàn)在遞歸方法中。操作棧的壓棧與出棧如圖所示：
? ? ? ? 虛擬機(jī)棧通過壓棧和出棧的方式，對(duì)每個(gè)方法對(duì)應(yīng)的活動(dòng)棧幀進(jìn)行運(yùn)算處理，方法正常執(zhí)行結(jié)束，肯定會(huì)跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)棧幀上。在執(zhí)行的過程中，如果出現(xiàn)異常，會(huì)進(jìn)行異?；厮?，返回地址通過異常處理表確定。棧幀在整個(gè)JVM體系中的地位頗高，包括局部變量表、操作棧、動(dòng)態(tài)連接、方法返回地址等。
? ? ? ? (1)? 局部變量表
? ? ? ? 局部變量表是存放方法參數(shù)和局部變量的區(qū)域。相對(duì)于類屬性變量的準(zhǔn)備階段和初始化階段來說，局部變量沒有準(zhǔn)備階段，必須顯示初始化。如果是非靜態(tài)方法，則在index[0]的位置上存儲(chǔ)的是方法所屬對(duì)象的實(shí)例引用，隨后存儲(chǔ)的是參數(shù)和局部變量。字節(jié)碼指令中的STORE指令就是將操作棧中計(jì)算完成的局部變量寫回局部變量表的存儲(chǔ)空間內(nèi)。
? ? ? ? (2)? 操作棧
? ? ? ? 操作棧是一個(gè)初始狀態(tài)為空的桶式結(jié)構(gòu)棧。在方法執(zhí)行過程中，會(huì)有各種指令往棧中寫入和提取信息。JVM的執(zhí)行引擎是基于棧的執(zhí)行引擎，其中的棧指的就是操作棧。
? ? ? ? (3)? 動(dòng)態(tài)連接
? ? ? ? 每個(gè)棧幀中包含一個(gè)在常量池中對(duì)當(dāng)前方法的引用，目的是支持方法調(diào)用過程的動(dòng)態(tài)連接。
? ? ? ? (4)? 方法返回地址
? ? ? ? 方法執(zhí)行時(shí)有兩種退出情況：
? ? ? ? 第一，正常退出，即正常執(zhí)行到任何方法的返回字節(jié)碼指令，如RETURN、IRETURN、ARETURN等；
? ? ? ? 第二，異常退出。
? ? ? ? 無論何種退出情況，都將返回至方法當(dāng)前被調(diào)用的位置。方法退出的過程相當(dāng)于彈出當(dāng)前棧幀，退出可能有三種方式：
????????? 返回值壓入上層調(diào)用棧幀。
? ? ? ? ? 異常信息拋給能夠處理的棧幀。
? ? ? ? ? PC計(jì)數(shù)器指向方法調(diào)用后的下一條指令。
? ? ? ? 4? Native Method Stacks（本地方法棧）
? ? ? ? 本地方法棧在JVM內(nèi)存布局中，也是現(xiàn)成對(duì)象私有的，但是虛擬機(jī)棧"主內(nèi)"，而本地方法棧"主外"。這個(gè)"內(nèi)外"是針對(duì)JVM來說的，本地方法棧為Native方法服務(wù)?，F(xiàn)成開始調(diào)用本地方法時(shí)，會(huì)進(jìn)入一個(gè)不再受JVM約束的世界。本地方法可以通過JNI（Java Native Interface）來訪問虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)區(qū)，甚至可以調(diào)用寄存器，具有和JVM相同的能力和權(quán)限。當(dāng)大量本地方法出現(xiàn)時(shí)，勢(shì)必會(huì)削弱JVM對(duì)系統(tǒng)的控制力，因?yàn)樗某鲥e(cuò)信息都比較黑盒。對(duì)于內(nèi)存不足的情況，本地方法棧還是會(huì)拋出native heap OutOfMemory。
? ? ? ? 順便說一下JNI，如果在項(xiàng)目過程中大量使用其它語言來實(shí)現(xiàn)JNI，相當(dāng)于喪失了Java的擴(kuò)平臺(tái)特性，而且增加了額外的不可控因素，威脅到程序運(yùn)行的穩(wěn)定性。假如真需要與本地代碼交互，可以用中間件、服務(wù)接口的方式進(jìn)行解耦，這樣即使本地方法崩潰也不至于影響到JVM的穩(wěn)定。
? ? ? ? 5? Program Counter Register（程序計(jì)數(shù)寄存器）
? ? ? ? 在程序計(jì)數(shù)寄存器中，Register的命名源于CPU的寄存器，CPU只有把數(shù)據(jù)裝載到寄存器才能夠運(yùn)行。寄存器存儲(chǔ)指令相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)信息，由于CPU時(shí)間片輪限制，眾多線程在并發(fā)執(zhí)行過程中，任何一個(gè)確定的時(shí)刻，一個(gè)處理器或者多核處理器中的一個(gè)內(nèi)核，只會(huì)執(zhí)行某個(gè)線程中的一條指令。這樣必然導(dǎo)致經(jīng)常中斷或恢復(fù)，如何保證分毫無差呢？每個(gè)線程在創(chuàng)建后，都會(huì)產(chǎn)生自己的程序計(jì)數(shù)器和棧幀，程序計(jì)數(shù)器用來存放執(zhí)行指令的偏移量和行號(hào)指示器等，線程執(zhí)行或恢復(fù)都需要依賴程序計(jì)數(shù)器。程序計(jì)數(shù)器在各個(gè)線程之間互不影響，此區(qū)域也不會(huì)發(fā)生內(nèi)存溢出異常。
? ? ? ? 最后，從線程共享的角度來看，堆和元空間是所有線程共享的，而虛擬機(jī)棧、本地方法棧、程序計(jì)數(shù)器是線程內(nèi)部私有的，從這個(gè)角度看一下Java內(nèi)存結(jié)構(gòu)，如下圖所示。
