概述

本文主要讲述 JVM 内存模型，解析各个运行时内存数据区域的作用和使用场景。

本文所提到的 JVM 模型都是基于 jdk-1.8 版本

JVM 内存模型

运行时数据区域

程序计数器（Program Conunter Regisiter）

程序计数器是一个比较小的内存空间，可以看作是当前线程执行的字节码行号指示器。本质就是记录字节码执行顺序。在《Java 虚拟机规范》中没有任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

虚拟机栈（JVM Stack）

虚拟机栈，存放的是线程运行时内部的局部变量，也可以理解为线程栈。

每个方法被执行的时候，虚拟机会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存放局部变量表（local variable），操作数栈(operand stack)，动态连接，方法出口等信息。

栈帧（Stack Frame）随着方法的调用而创建，随着方法的结束而销毁（不论是正常结束还抛出异常）。

字节码指令分析（描述 JVM Stack 操作过程）

public int add() {
  int a = 1;
  int b = 2;
  int c = b - a;
  return c;
}

0 iconst_1 //将 a 压入局部变量表栈顶
1 istore_1 //对 a 进行赋值 1  
2 iconst_2 //将 b 压入局部变量表栈顶
3 istore_2 //对 b 进行赋值 2
4 iload_2  //读取 b 到操作数栈
5 iload_1  //读取 a 到操作数栈
6 isub     //执行 b - a
7 istore_3 //将 int 类型的值存入局部变量表 3 
8 iload_3  //读取 c 到操作数栈
9 ireturn  //返回

局部变量表（local variable）

局部变量表存放了各种编译期 Java 虚拟机基本数据库类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、dubble）和对象引用（reference 类型，即对象的起始位置指针或者对象句柄）, 对象的真实数据通常存放在堆空间。

局部变量表中的存储空间通过变量槽（slot）来表示，其中 64 位长度的 long 和 double 占 2 个变量槽。

操作数栈（operand stack）

每个栈帧都包含一个操作数栈的先进先出（FIFO）栈，栈帧中操作数栈的深度由编译期决定，并且通过方法的 code 属性保存以及提供给栈帧使用。

动态链接

每个栈帧都包含一个指向当前方法所在类型的运行时常量池的引用。以便对当前方法的代码实现动态链接。

在 class 文件中，一个方法如果要调用其它方法，或者访问局部成员变量，则需要将符号引用（synbolic reference）来表示，动态链接的作用就是将这些符号引用转换为对实际方法的直接引用。

方法出口

方法正常完成，当前栈帧恢复调用者的责任，包括恢复调用者的局部变量表，操作数栈，以及正确的程序计数器递增。跳过刚才执行的方法调用指令等，低哦啊用着的代码被调用的方法正返回值压入调用者操作数栈后，会继续正常执行。

方法一场完成，某些指令导致了 JVM 虚拟机抛出异常，或者用户显示的通过 thorw 关键字跑出一场，同时在改该方法中没有捕获异常。如果方法异常调用完成，那不一定有方法返回值返回给调用者。

本地方法栈（Native Method Stack）

为本地方法所分配的内存空间，就是为 native 关键字修饰的方法提供服务的。

本地方法主要是 Java 来调用 C/C++ 函数库的调用方法。

方法区（Method Area）

主要存放数据有：常量，静态变量，类信息。

方法区存放的是静态变量的内存地址，方法区里面有一个元空间，在JDK1.8 之前叫永久代。

堆（Heap）

JVM 管理的最大的一块内存空间。与堆相关的一个重要概念是垃圾收集器。几乎所有的垃圾收集器都是采用分代收集算法，所以对内存空间也是基于这一点进行相应的划分：新生代和老年代，新生代分为Eden 空间、From Survivor 空间、To Survivor 空间。

堆空间的分布

对象创建的过程中首先会存在 Eden 区，然后经过 minor gc 过后进入 survivor ，进过 15 次 survivor 转移过后，进入老年代。

如果内存都不够用了就触发 full gc，再次触发 GC 过后无法分配申请内存，JVM 就会抛出 OOM。

分析对象是否存在引用，是否被回收采用的是 GC ROOT 可达性分析。

直接内存（Direact Memory）

直接内存，不是 JVM 来管理，是通过操作系统来管理的，与 Java NIO 密切相关。 Java 通过DirectByteBuffer来操作直接内存。

JVM 内存参数设置

内存参数配置

Spring-Boot 程序的 JVM 内存参数设置格式（Tomcat 启动直接在 bin 目录下的 Catalina.sh 文件设置）

java -Xms2048m -Xmx2048m  -Xmn1024 -Xss512k -XX:MetaspaceSize=256m -XX:MaxMetaspaceSize=256m -jar  xxx-xxx.jar

关于元空间JVM 有两个：-XX:MetaspaceSize=N 和 -XX:MaxMetaspaceSize=N，对于 64 位 JVM 来说，元空间默认是 21MB，默认的元空间的最大值是无限。

-XX:MaxMetaspaceSize: 设置元空间最大值，默认是 -1，即不限制，或者说是受限制于本地内存大小。

-XX:MetaspaceSize：指定元空间的初始大小，以字节为单位，默认是 21M，达到该值过后就会触发 full gc 进行类型卸载，同时收集器会对该值进行调整；如果释放了大量的空间就适当降低该值；如果释放了很少的空间，那么就在不超过 -XX:MaxMetaspaceSize （如果设置）的情况下，适当提高该值。

由于调整元空间大小需要 full gc , 这是一个非常昂贵的操作，如果在启动过程中发生大量 full gc, 通常都是由于永久代或者元空间发生了大小调整，基于这种情况，一般建议在 JVM 参数将 MaxMetaspaceSize 和 MetaspaceSize 设置成一样的值，并设置得比初始值要大，对于 8G 的物理内存来说我们通常都会将这两个值设置为 256M。

堆空间内存溢出

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class HeapOverFlowTest {

    byte[] a = new byte[1024 * 1024 * 2]; // 2mb

    public static void main(String[] args) {
        List<HeapOverFlowTest> list = new ArrayList<>();
        while(true) {
            list.add(new HeapOverFlowTest());
        }
    }
}
// 输出结果
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at cn.edu.cqvie.jvm.HeapOverFlowTest.<init>(HeapOverFlowTest.java:8)
	at cn.edu.cqvie.jvm.HeapOverFlowTest.main(HeapOverFlowTest.java:13)

虚拟机栈内存溢出

public class StackOverFlowTest {

    // JVM 设置
    // -Xss128k, -Xss默认1M
    static int count = 0;

    static void redo() {
        count++;
        redo();
    }

    public static void main(String[] args) {
        try {
            redo();
            System.out.println(count);
        } catch (Throwable t) {
            t.printStackTrace();
        }
    }
}

// 输出结果: 栈溢出
java.lang.StackOverflowError
	at cn.edu.cqvie.jvm.StackOverFlowTest.redo(StackOverFlowTest.java:11)
	at cn.edu.cqvie.jvm.StackOverFlowTest.redo(StackOverFlowTest.java:11)
	at cn.edu.cqvie.jvm.StackOverFlowTest.redo(StackOverFlowTest.java:11)
....

总结：

-Xss 设置越小 count 值越小，说明一个线程栈里能够分配的栈帧就越小，但是对于 JVM 整体来说能够开启的线程数就会更多。

方法区内存溢出

需要注意的是 1.8 内模型中，将运行时常量池数据放入堆中，所以我们限制方法区的大小对运行时常量池的限制毫无意义。最终也只会抛出 java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space 异常。
下面通过GCLib 模拟方法区溢出模拟的一个例子。

/**
 * -XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=10m
 */
public class MyTest4 {

    public static void main(String[] args) {
        for (; ; ) {
            Enhancer enhancer = new Enhancer();
            enhancer.setSuperclass(MyTest4.class);
            enhancer.setUseCache(false);
            enhancer.setCallback((MethodInterceptor) (obj, method, args1, proxy) ->
                    proxy.invoke(obj, args1));

            System.out.println("hello world");
            enhancer.create();
        }
    }
}

//输出结果
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
	at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
	at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:756)
  ......

JVM 监控工具

VisualVM

VisualVM 提供在 Java 虚拟机 (Java Virutal Machine, JVM) 上运行的 Java 应用程序的详细信息。在 VisualVM 的图形用户界面中，可以方便、快捷地查看多个 Java 应用程序的相关信息。

参考资料

《深入理解 Java 虚拟机》第三版周志明
《Java 虚拟机规范（Java SE 8 版）》爱飞翔周志明等译
visualvm 主页文档
Oracle 官网 Java 虚拟机规范