本文已参与「新人创作礼」活动，一起开启掘金创作之路。

一. 什么是JVM

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。

JVM分为五大模块：类装载器子系统、运行时数据区、执行引擎、本地方法接口和垃圾收集模块。

1.1 主流虚拟机

虚拟机名称	介绍
HotSpot	Oracle/Sun JDK和OpenJDK都使用HotSPot VM的相同核心
J9	J9是IBM开发的高度模块化的JVM
	JRockit 与 HotSpot 同属于 Oracle，目前为止 Oracle 一直在推进 HotSpot与 JRockit 两款各有优势的虚拟机进行融合互补
JRockit	由Azul Systems根据HostPot为基础改进的高性能低延迟的JVM
Zing	由Azul Systems根据HostPot为基础改进的高性能低延迟的JVM
Dalvik	Android上的Dalvik 虽然名字不叫JVM，但骨子里就是不折不扣的JVM

1.2 JVM、JRE、JDK 的关系

JVM 是 Java 程序能够运行的核心。但是需要注意，JVM 自己什么也干不了，你需要给它提供生产原料（.class 文件）。仅仅是 JVM，是无法完成一次编译，处处运行的。它需要一个基本的类库，比如怎么操作文件、怎么连接网络等。而 Java 体系很慷慨，会一次性将 JVM 运行所需的类库都传递给它。JVM 标准加上实现的一大堆基础类库，就组成了 Java 的运行时环境，也就是我们常说的 JRE（Java Runtime Environment）对于 JDK 来说，就更庞大了一些。除了 JRE，JDK 还提供了一些非常好用的小工具，比如 javac、java、jar 等。它是 Java 开发的核心，让外行也可以炼剑

二. java虚拟机的内存管理

2.1 JVM整体架构

根据 JVM 规范，JVM 内存共分为虚拟机栈、堆、方法区、程序计数器、本地方法栈五个部分。

名称	特征	作用	配置参数	异常
程序计数器	占用内存小，线程私有，生命周期与线程相同	大致为字节码行号指示器	无	无
虚拟机栈	线程私有，生命周期与线程相同，使用连续的内存空间	Java 方法执行的内存模型，存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息	-Xss	StackOverflowError/OutOfMemoryError
堆	线程共享，生命周期与虚拟机相同，可以不使用连续的内存地址	保存对象实例，所有对象实例（包括数组）都要在堆上分配	-Xms -Xsx -Xmn	OutOfMemoryError
方法区	线程共享，生命周期与虚拟机相同，可以不使用连续的内存地址	存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据	-XX:PermSize:16M -XX:MaxPermSize64M/-XX:MetaspaceSize=16M-XX:MaxMetaspaceSize=64M	OutOfMemoryError
本地方法栈	线程私有	为虚拟机使用到的Native方法服务	无	StackOverflowError/OutOfMemoryError

2.2 JVM运行时内存

Java 虚拟机有自动内存管理机制，如果出现面的问题，排查错误就必须要了解虚拟机是怎样使用内存的。

Java7和Java8内存结构的不同主要体现在方法区的实现

方法区是java虚拟机规范中定义的一种概念上的区域，不同的厂商可以对虚拟机进行不同的实现。我们通常使用的Java SE都是由Sun JDK和OpenJDK所提供，这也是应用最广泛的版本。而该版本使用的VM就是HotSpot VM。通常情况下，我们所讲的java虚拟机指的就是HotSpot的版本。

对于Java8，HotSpots取消了永久代。在Java8中，元空间(Metaspace)登上舞台，方法区存在于元空间（Metaspace)。同时，元空间不再与堆连续，而且是存在于本地内存（Native memory）。 方法区Java8之后的变化

移除了永久代（PermGen），替换为元空间（Metaspace）
永久代中的class metadata（类元信息）转移到了native memory（本地内存，而不是虚拟机）
永久代中的interned Strings（字符串常量池）和 class static variables（类静态变量）转移到了Java heap
永久代参数（PermSize MaxPermSize）-> 元空间参数（MetaspaceSize MaxMetaspaceSize） Java8为什么要将永久代替换成Metaspace？
字符串存在永久代中，容易出现性能问题和内存溢出。
类及方法的信息等比较难确定其大小，因此对于永久代的大小指定比较困难，太小容易出现永久代溢出，太大则容易导致老年代溢出。
永久代会为 GC 带来不必要的复杂度，并且回收效率偏低。
Oracle 可能会将HotSpot 与 JRockit 合二为一，JRockit没有所谓的永久代。

2.2.1 PC程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）:也叫PC寄存器，是一块较小的内存空间，它可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。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、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

区别于计算机硬件的pc寄存器，两者不略有不同。计算机用pc寄存器来存放“伪指令”或地址，而相对于虚拟机，pc寄存器它表现为一块内存，虚拟机的pc寄存器的功能也是存放伪指令，更确切的说存放的是将要执行指令的地址。
当虚拟机正在执行的方法是一个本地（native）方法的时候，jvm的pc寄存器存储的值是undefined。
程序计数器是线程私有的，它的生命周期与线程相同，每个线程都有一个。
此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

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，在任何一个确定的时刻，一个处理器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”的内存。

2.2.2 虚拟机栈

Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)也是线程私有的，即生命周期和线程相同。Java虚拟机栈和线程同时创建，用于存储栈帧。每个方法在执行时都会创建一个栈帧(Stack Frame)，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直到执行完成的过程就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程

设置虚拟机栈的大小 -Xss 为jvm启动的每个线程分配的内存大小，默认JDK1.4中是256K，JDK1.5+中是1M

2.2.3本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。

本地方法栈特点

本地方法栈加载native的但是方法,native类方法存在的意义当然是填补java代码不方便实现的缺陷而提出的。
虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。
是线程私有的，它的生命周期与线程相同，每个线程都有一个。

在Java虚拟机规范中，对本地方法栈这块区域，与Java虚拟机栈一样，规定了两种类型的异常：

StackOverFlowError :线程请求的栈深度>所允许的深度。
OutOfMemoryError：本地方法栈扩展时无法申请到足够的内存。

2.2.4堆

对于Java应用程序来说， Java堆（Java Heap）是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， Java 世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。“几乎”是指从实现角度来看，随着Java语言的发展，现在已经能看到些许迹象表明日后可能出现值类型的支持，即使只考虑现在，由于即时编译技术的进步，尤其是逃逸分析技术的日渐强大，栈上分配、标量替换优化手段已经导致一些微妙的变化悄然发生，所以说Java对象实例都分配在堆上也渐渐变得不是那么绝对了。

堆设置

使用示例: -Xmx20m -Xms5m 说明：当下Java应用最大可用内存为20M，最小内存为5M

堆分类

在Java7 Hotspot虚拟机中将Java堆内存分为3个部分：

青年代Young Generation
老年代Old Generation
永久代Permanent Generation 在Java8以后，由于方法区的内存不在分配在Java堆上，而是存储于本地内存元空间Metaspace中，所以永久代就不存在了

年轻代和老年代

年轻代(Young Gen)：年轻代主要存放新创建的对象，内存大小相对会比较小，垃圾回收会比较频繁。年轻代分成1个Eden Space和2个Suvivor Space（from 和to）。
年老代(Tenured Gen)：年老代主要存放JVM认为生命周期比较长的对象（经过几次的Young Gen的垃圾回收后仍然存在），内存大小相对会比较大，垃圾回收也相对没有那么频繁。

配置新生代和老年代堆结构占比

默认 -XX:NewRatio=2 , 标识新生代占1 , 老年代占2 ,新生代占整个堆的1/3
修改占比 -XX:NewPatio=4 , 标识新生代占1 , 老年代占4 , 新生代占整个堆的1/5
Eden空间和另外两个Survivor空间占比分别为8:1:1
可以通过操作选项 -XX:SurvivorRatio 调整这个空间比例。比如 -XX:SurvivorRatio=8
几乎所有的java对象都在Eden区创建, 但80%的对象生命周期都很短,创建出来就会被销毁.

默认的，新生代 ( Young ) 与老年代 ( Old ) 的比例的值为 1:2 ( 该值可以通过参数 –XX:NewRatio 来指定 )，即：新生代 ( Young ) = 1/3 的堆空间大小。老年代 ( Old ) = 2/3 的堆空间大小。其中，新生代 ( Young ) 被细分为 Eden 和两个Survivor 区域，这两个 Survivor 区域分别被命名为 from 和 to，以示区分。默认的，Edem : from : to = 8 : 1 : 1 ( 可以通过参数 –XX:SurvivorRatio 来设定 )，即： Eden = 8/10 的新生代空间大小，from = to = 1/10 的新生代空间大小。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 区域是空闲着的。因此，新生代实际可用的内存空间为 9/10 ( 即90% )的新生代空间。

对象分配过程

JVM设计者不仅需要考虑到内存如何分配，在哪里分配等问题，并且由于内存分配算法与内存回收算法密切相关，因此还需要考虑GC执行完内存回收后是否存在空间中间产生内存碎片。

分配过程

new的对象先放在伊甸园区。该区域有大小限制
当伊甸园区域填满时，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸园预期进行垃圾回收（Minor GC）,将伊甸园区域中不再被其他对象引用的额对象进行销毁，再加载新的对象放到伊甸园区
然后将伊甸园区中的剩余对象移动到幸存者0区
如果再次触发垃圾回收，此时上次幸存下来的放在幸存者0区的，如果没有回收，就会放到幸存者1区
如果再次经历垃圾回收，此时会重新返回幸存者0区，接着再去幸存者1区。
如果累计次数到达默认的15次，这会进入养老区。可以通过设置参数，调整阈值 -XX:MaxTenuringThreshold=N
养老区内存不足是,会再次出发GC:Major GC 进行养老区的内存清理
如果养老区执行了Major GC后仍然没有办法进行对象的保存,就会报OOM异常.

堆GC

Java 中的堆也是 GC 收集垃圾的主要区域。GC 分为两种：一种是部分收集器（Partial GC）另一类是整堆收集器（Fu'll GC）

部分收集器: 不是完整收集java堆的的收集器,它又分为:

新生代收集（Minor GC / Young GC）: 只是新生代的垃圾收集
老年代收集（Major GC / Old GC）: 只是老年代的垃圾收集 (CMS GC 单独回收老年代)
混合收集（Mixed GC）:收集整个新生代及老年代的垃圾收集 (G1 GC会混合回收, region区域回收) 整堆收集（Full GC）:收集整个java堆和方法区的垃圾收集器

年轻代GC触发条件:

年轻代空间不足,就会触发Minor GC，这里年轻代指的是Eden代满，Survivor不满不会引发GC
Minor GC会引发STW(stop the world) ,暂停其他用户的线程,等垃圾回收接收,用户的线程才恢复.

老年代GC (Major GC)触发机制

老年代空间不足时,会尝试触发MinorGC. 如果空间还是不足,则触发Major GC
如果Major GC , 内存仍然不足,则报错OOM
Major GC的速度比Minor GC慢10倍以上.

FullGC 触发机制:

调用System.gc() , 系统会执行Full GC ,不是立即执行.
老年代空间不足
方法区空间不足
通过Minor GC进入老年代平均大小大于老年代可用内存

2.2.5 元空间

在JDK1.7之前，HotSpot 虚拟机把方法区当成永久代来进行垃圾回收。而从 JDK 1.8 开始，移除永久代，并把方法区移至元空间，它位于本地内存中，而不是虚拟机内存中。

Metaspace相关参数

-XX:MetaspaceSize，初始空间大小，达到该值就会触发垃圾收集进行类型卸载，同时GC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，那么在不超过MaxMetaspaceSize时，适当提高该值。
-XX:MaxMetaspaceSize，最大空间，默认是没有限制的。如果没有使用该参数来设置类的元数据的大小，其最大可利用空间是整个系统内存的可用空间。JVM也可以增加本地内存空间来满足类元数据信息的存储。但是如果没有设置最大值，则可能存在bug导致Metaspace的空间在不停的扩展，会导致机器的内存不足；进而可能出现swap内存被耗尽；最终导致进程直接被系统直接kill掉。如果设置了该参数，当Metaspace剩余空间不足，会抛出：java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace space
-XX:MinMetaspaceFreeRatio，在GC之后，最小的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为分配空间所导致的垃圾收集
-XX:MaxMetaspaceFreeRatio，在GC之后，最大的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为释放空间所导致的垃圾收集

2.2.6 方法区

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。元空间、永久代是方法区具体的落地实现。方法区看作是一块独立于Java堆的内存空间，它主要是用来存储所加载的类信息的

方法区特点

方法区与堆一样是各个线程共享的内存区域
方法区在JVM启动的时候就会被创建并且它实例的物理内存空间和Java堆一样都可以不连续
方法区的大小跟堆空间一样可以选择固定大小或者动态变化
方法区的对象决定了系统可以保存多少个类,如果系统定义了太多的类导致方法区溢出虚拟机同样会跑出(OOM)异常(Java7之前是 PermGen Space (永久带) Java 8之后是MetaSpace(元空间) )
关闭JVM就会释放这个区域的内存

类型信息 对每个加载的类型（类Class、接口 interface、枚举enum、注解 annotation），JVM必须在方法区中存储以下类型信息：

这个类型的完整有效名称（全名 = 包名.类名）
这个类型直接父类的完整有效名（对于 interface或是java.lang. Object，都没有父类）
这个类型的修饰符（ public, abstract，final的某个子集）
这个类型直接接口的一个有序列表

域信息 即为类的属性，成员变量 JVM必须在方法区中保存类所有的成员变量相关信息及声明顺序。域的相关信息包括：域名称、域类型、域修饰符（pυblic、private、protected、static、final、volatile、transient的某个子集）

方法信息 JVM必须保存所有方法的以下信息，同域信息一样包括声明顺序：

方法名称方法的返回类型（或void）
方法参数的数量和类型（按顺序）
方法的修饰符public、private、protected、static、final、synchronized、native,、abstract的一个子集
方法的字节码bytecodes、操作数栈、局部变量表及大小（ abstract和native方法除外）
异常表（ abstract和 native方法除外）。每个异常处理的开始位置、结束位置、代码处理在程序计数器中的偏移地址、被捕获的异常类的常量池索引

方法区设置（jdk8之后）

元数据区大小可以使用参数 -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize指定默认值依赖于平台。windows下，-XX:MetaspaceSize是21M，-XX:MaxMetaspaceSize的值是-1，即没有限制。

与永久代不同，如果不指定大小，默认情况下，虚拟机会耗尽所有的可用系统内存。如果元数据区发生溢出，虚拟机一样会抛出异常OutOfMemoryError:Metaspace

-XX:MetaspaceSize：设置初始的元空间大小。对于一个64位的服务器端JVM来说，其默认的-xx:MetaspaceSize值为 21MB。这就是初始的高水位线，一旦触及这个水位线，FullGC将会被触发并卸载没用的类（即这些类对应的类加载器不再存活）然后这个高水位线将会重置。新的高水位线的值取决于GC后释放了多少元空间。如果释放的空间不足，那么在不超过MaxMetaspaceSize时，适当提高该值。如果释放空间过多，则适当降低该值。

JVM介绍