「JVM」深入剖析Hotspot

本文導讀

本文詳細的講述了Java虛拟機運作時資料區的程式計數器、虛拟機棧，本地方法棧，方法區，堆，常量池，以及直接記憶體(堆外記憶體)，對各個區域的作用，服務對象以及其中可能産生的問題展開讨論。

JVM基礎知識

JVM 全稱是 Java Virtual Machine，也就是我們耳熟能詳的 Java 虛拟機。它能識别 .class 字尾的檔案，并且能夠解析它的指令，最終調用作業系統上的函數，完成我們想要的操作。

JVM是一個龐大的知識體系，可以從記憶體結構，記憶體配置設定政策，垃圾回收，性能監控工具，類檔案結構，類加載機制，位元組碼執行引擎，JVM自身優化技術，程式性能調優幾個方面去學習。

記憶體結構是了解JVM核心也是前提，同時 JVM 是一個虛拟化的作業系統，是以除了要虛拟指令之外，最重要的一個事情就是需要虛拟化記憶體。

JVM記憶體區域

這裡講解的是JVM記憶體的各個區域，重點講解這些區域的作用，服務對象以及其中可能産生的問題。

宏觀上JVM處于圖檔中虛線的位置，本篇重點講解JVM運作時資料區

定義：Java 虛拟機在執行 Java 程式的過程中會把它所管理的記憶體劃分為若幹個不同的資料區域，該區域記憶體主要分為堆、程式計數器、方法區、虛拟機棧和本地方法棧等。同時按照與線程的關系也可以這麼劃分區域：線程私有區域：一個線程擁有單獨的一份記憶體區域。線程共享區域：被所有線程共享，且隻有一份。這裡還有一個直接記憶體，這個雖然不是運作時資料區的一部分，但是會被頻繁使用。你可以了解成沒有被虛拟機化的作業系統上的其他記憶體（比如作業系統上有 8G 記憶體，被 JVM 虛拟化了 3G，那麼還剩餘 5G， JVM 是借助一些工具使用這 5G 記憶體的，這個記憶體部分稱之為直接記憶體）

程式計數器（Program Counter Register）

程式計數器是一塊很小的記憶體空間，是目前線程執行的位元組碼的行号訓示器，各線程之間獨立存儲，互不影響。主要用來記錄各個線程執行的位元組碼的位址，例如，分支、循環、跳轉、異常、線程恢複等都依賴于計數器。由于 Java 是多線程語言，當執行的線程數量超過 CPU 核數時，線程之間會根據時間片輪詢争奪 CPU 資源。如果一個線程的時間片用完了，或者是其它原因導緻這個線程的 CPU 資源被提前搶奪，那麼這個退出的線程就需要單獨的一個程式計數器，來記錄下一條運作的指令。因為 JVM 是虛拟機，内部有完整的指令與執行的一套流程，是以在運作 Java 方法的時候需要使用程式計數器（記錄位元組碼執行的位址或行号），如果是遇到本地方法（native 方法），這個方法不是 JVM 來具體執行，是以程式計數器不需要記錄了，這個是因為在作業系統層面也有一個程式計數器，這個會記錄本地代碼的執行的位址，是以在執行 native 方法時，JVM 中程式計數器的值為空(Undefined)。另外程式計數器也是 JVM 中唯一不會 OOM(OutOfMemory)的記憶體區域。

虛拟機棧（VM Stack）

虛拟機棧是線程運作 java 方法所需的資料，指令、傳回位址。棧的資料結構是先進後出(FILO)的資料結構，虛拟機棧的作用，在 JVM 運作過程中存儲目前線程運作方法所需的資料，指令、傳回位址 。虛拟機棧是基于線程的：哪怕你隻有一個 main() 方法，也是以線程的方式運作的。線上程的生命周期中，參與計算的資料會頻繁地入棧和出棧，棧的生命周期是和線程一樣的。虛拟機棧的大小預設為 1M，可用參數 –Xss 調整大小，例如-Xss256k。參數官方文檔（JDK1.8）：docs.oracle.com/javase/8/do…

棧幀：在每個 Java 方法被調用的時候，都會建立一個棧幀，并入棧。一旦方法完成相應的調用，則出棧。

棧幀大體都包含四個區域：局部變量表、操作數棧、動态連接配接、傳回位址

一、局部變量表： 顧名思義就是局部變量的表，用于存放我們的局部變量的（方法中的變量）。首先它是一個 32 位的長度，主要存放我們的 Java 的八大基礎資料類型，一般 32 位就可以存放下，如果是 64 位的就使用高低位占用兩個也可以存放下，如果是局部的一些對象，比如我們的 Object 對象，我們隻需要存放它的一個引用位址即可。局部變量表在編譯期間完成配置設定，方法在棧幀中配置設定多大記憶體是完全确定的，在方法運作期間不會改變局部變量表的大小。

二、操作資料棧： 存放 java 方法執行的操作數的，它就是一個棧，先進後出的棧結構，操作數棧，就是用來操作的，操作的的元素可以是任意的 java 資料類型，是以我們知道一個方法剛剛開始的時候，這個方法的操作數棧就是空的。操作數棧本質上是 JVM 執行引擎的一個工作區，也就是方法在執行，才會對操作數棧進行操作，如果代碼不不執行，操作數棧其實就是空的。

三、動态連接配接： Java 語言特性多态（後續章節細講，需要結合 class 與執行引擎一起來講）。

四、傳回位址： 正常傳回（調用程式計數器中的位址作為傳回）、異常的話（通過異常處理器表<非棧幀中的>來确定）同時，虛拟機棧這個記憶體也不是無限大，它有大小限制，預設情況下是 1M。如果我們不斷的往虛拟機棧中入棧幀，但是就是不出棧的話，那麼這個虛拟機棧就會爆掉（例如方法D()會抛出Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError）。

public class MethodAndStack {
    public static void main(String[] args) {
        A();
    }
    public static void A() {
        B();
    }
    public static void B() {
        C();
    }
    public static void C() {
    }
    public static void D() {
        D()
    }
}           

這段代碼很簡單，就是起一個 main 方法，在 main 方法運作中調用 A 方法，A方法中調用 B 方法，B方法中運作C方法。我們把代碼跑起來，線程1來運作這段代碼， 線程1跑起來，就會有一個對應 的虛拟機棧，同時在執行每個方法的時候都會打包成一個棧幀。比如 main 開始運作，打包一個棧幀送入到虛拟機棧。C 方法運作完了，C 方法出棧，接着 B 方法運作完了，B 方法出棧、接着 A 方法運作完了，A 方法出棧，最後 main 方法運作完了，main 方法這個棧幀就出棧了。這個就是 Java 方法運作對虛拟機棧的一個影響。虛拟機棧就是用來存儲線程運作方法中的資料的。而每一個方法對應一個棧幀。

本地方法棧（Native Method Stact）

本地方法棧跟 Java 虛拟機棧的功能類似，Java 虛拟機棧用于管理 Java 函數的調用，而本地方法棧則用于管理本地方法的調用。但本地方法并不是用 Java 實作的，而是由 C 語言實作的(比如 Object.hashcode 方法)。本地方法棧是和虛拟機棧非常相似的一個區域，它服務的對象是 native 方法。你甚至可以認為虛拟機棧和本地方法棧是同一個區域。虛拟機規範無強制規定，各版本虛拟機自由實作 ，HotSpot 直接把本地方法棧和虛拟機棧合二為一 。本地方法棧也會抛出StackOverflowError和OutOfMemorryError，上述說過程式計數器不會記錄本地方法棧。

方法區（Method Area）

方法區主要是用來存放已被虛拟機加載的類相關資訊，包括類資訊、靜态變量、常量、運作時常量池、字元串常量池等。方法區是 JVM 對記憶體的“邏輯劃分”，在 JDK1.7 及之前很多開發者都習慣将方法區稱為“永久代”，是因為在 HotSpot 虛拟機中，設計人員使用了永久代來實作了 JVM 規範的方法區。在 JDK1.8 及以後使用了元空間來實作方法區。

JVM 在執行某個類的時候，必須先加載。在加載類（加載、驗證、準備、解析、初始化）的時候，JVM 會先加載 class 檔案，而在 class 檔案中除了有類的版本、字段、方法和接口等描述資訊外，還有一項資訊是常量池 (Constant Pool Table)，用于存放編譯期間生成的各種字面量和符号引用。字面量包括字元串（String a=“b”）、基本類型的常量（final 修飾的變量），符号引用則包括類和方法的全限定名（例如 String 這個類，它的全限定名就是 Java/lang/String）、字段的名稱和描述符以及方法的名稱和描述符。

JDK1.7的HotSpot中，已經把原本放入永久代的字元串常量池移出（java常量池不在堆中也不在棧中,是獨立的記憶體空間管理。常量池：存放字元串常量和基本類型常量）

元空間（class metadata）

方法區與堆空間類似，也是一個共享記憶體區，是以方法區是線程共享的。假如兩個線程都試圖通路方法區中的同一個類資訊，而這個類還沒有裝入 JVM，那麼此時就隻允許一個線程去加載它，另一個線程必須等待。在 HotSpot 虛拟機、Java7 版本中已經将永久代的靜态變量和運作時常量池轉移到了堆中，其餘部分則存儲在 JVM 的非堆記憶體中，而 Java8 版本已經将方法區中實作的永久代去掉了，并用元空間（class metadata）代替了之前的永久代，并且元空間的存儲位置是本地記憶體。

元空間大小參數：jdk1.7 及以前（初始和最大值）：-XX:PermSize；-XX:MaxPermSize；jdk1.8 以後（初始和最大值）：-XX:MetaspaceSize； -XX:MaxMetaspaceSizejdk1.8 以後大小就隻受本機總記憶體的限制（如果不設定參數的話）JVM 參數參考：docs.oracle.com/javase/8/do…

Java8 為什麼使用元空間替代永久代，這樣做有什麼好處呢？ 官方給出的解釋是：移除永久代是為了融合 HotSpot JVM 與 JRockit VM 而做出的努力，因為 JRockit 沒有永久代，是以不需要配置永久代。永久代記憶體經常不夠用或發生記憶體溢出，抛出異常 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen。這是因為在 JDK1.7 版本中，指定的 PermGen 區大小為8M，由于 PermGen 中類的中繼資料資訊在每次 FullGC 的時候都可能被收集，回收率都偏低，成績很難令人滿意；還有為 PermGen 配置設定多大的空間很難确定，PermSize 的大小依賴于很多因素，比如，JVM 加載的 class 總數、常量池的大小和方法的大小等。

常量池與運作時常量池（Constant pool and Runtime Constant Pool）

而當類加載到記憶體中後，JVM 就會将 class 檔案常量池中的内容存放到運作時的常量池中；在解析階段，JVM 會把符号引用替換為直接引用（對象的索引值）。例如，類中的一個字元串常量在 class 檔案中時，存放在 class 檔案常量池中的；在 JVM 加載完類之後，JVM 會将這個字元串常量放到運作時常量池中，并在解析階段，指定該字元串對象的索引值。運作時常量池是全局共享的，多個類共用一個運作時常量池，class 檔案中常量池多個相同的字元串在運作時常量池隻會存在一份。

常量池有很多概念，包括運作時常量池、class 常量池、字元串常量池。虛拟機規範隻規定以上區域屬于方法區，并沒有規定虛拟機廠商的實作。嚴格來說是靜态常量池和運作時常量池，靜态常量池是存放字元串字面量、符号引用以及類和方法的資訊，而運作時常量池存放的是運作時一些直接引用。運作時常量池并不隻有編譯期能産生（預置入Class檔案中），運作期間也可能産生新的常量池（使用較多是String類的intern()方法）

運作時常量池是在類加載完成之後，将靜态常量池中的符号引用值轉存到運作時常量池中，類在解析之後，将符号引用替換成直接引用。運作時常量池在 JDK1.7 版本之後，就移到堆記憶體中了，這裡指的是實體空間，而邏輯上還是屬于方法區（方法區是邏輯分區）。所謂靜态常量池，也就是上圖*.class檔案中的常量池。

堆（Heap）

堆是 JVM 上最大的記憶體區域，我們申請的幾乎所有的對象，都是在這裡存儲的。我們常說的垃圾回收，操作的對象就是堆。堆空間一般是程式啟動時，就申請了，但是并不一定會全部使用。堆一般設定成可伸縮的。随着對象的頻繁建立，堆空間占用的越來越多，就需要不定期的對不再使用的對象進行回收。這個在 Java 中，就叫作 GC（Garbage Collection）。

那一個對象建立的時候，到底是在堆上配置設定，還是在棧上配置設定呢？這和兩個方面有關：對象的類型和在 Java 類中存在的位置。Java 的對象可以分為基本資料類型和普通對象。對于普通對象來說，JVM 會首先在堆上建立對象，然後在其他地方使用的其實是它的引用。比如，把這個引用儲存在虛拟機棧的局部變量表中。對于基本資料類型來說（byte、short、int、long、float、double、char)，有兩種情況。當你在方法體内聲明了基本資料類型的對象，它就會在棧上直接配置設定。其他情況，都是在堆上配置設定。

堆大小參數：-Xms：堆的最小值；-Xmx：堆的最大值；-Xmn：新生代的大小；-XX:NewSize；新生代最小值；-XX:MaxNewSize：新生代最大值；例如- Xmx256m

符号引用

符号引用則屬于編譯原理方面的概念，包括了如下三種類型的常量：類和接口的全限定名、字段名稱和描述符、方法名稱和描述符。

一個 java 類（假設為 People 類）被編譯成一個 class 檔案時，如果 People 類引用了 Tool 類，但是在編譯時 People 類并不知道引用類的實際記憶體位址，是以隻能使用符号引用來代替。而在類裝載器裝載 People 類時，此時可以通過虛拟機擷取 Tool 類的實際記憶體位址，是以便可以既将符号 org.simple.Tool 替換為 Tool 類的實際記憶體位址，及直接引用位址。

即在編譯時用符号引用來代替引用類，在加載時再通過虛拟機擷取該引用類的實際位址，以一組符号來描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，隻要使用時能無歧義地定位到目标即可。符号引用與虛拟機實作的記憶體布局是無關的，引用的目标不一定已經加載到記憶體中。

直接記憶體（堆外記憶體）

直接記憶體有一種更加科學的叫法，堆外記憶體。JVM 在運作時，會從作業系統申請大塊的堆記憶體，進行資料的存儲；同時還有虛拟機棧、本地方法棧和程式計數器，這塊稱之為棧區。作業系統剩餘的記憶體也就是堆外記憶體。它不是虛拟機運作時資料區的一部分，也不是 java 虛拟機規範中定義的記憶體區域；如果使用了 NIO,這塊區域會被頻繁使用，在 java 堆内可以用directByteBuffer 對象直接引用并操作；

這塊記憶體不受 java 堆大小限制，但受本機總記憶體的限制，可以通過-XX:MaxDirectMemorySize 來設定（預設與堆記憶體最大值一樣），是以也會出現 OOM 異常。

1、直接記憶體主要是通過 DirectByteBuffer 申請的記憶體，可以使用參數“MaxDirectMemorySize”來限制它的大小。2、其他堆外記憶體，主要是指使用了 Unsafe 或者其他 JNI 手段直接直接申請的記憶體。

堆外記憶體的洩漏是非常嚴重的，它的排查難度高、影響大，甚至會造成主機的死亡。後續章節會詳細講。

同時，要注意 Oracle 之前 計劃在 Java 9 中去掉 sun.misc.Unsafe API 。這裡删除 sun.misc.Unsafe 的原因之一是使 Java 更加安全，并且有替代方案。目前我們主要針對的 JDK1.8 ，JDK1.9 暫時不放入讨論範圍中，我們大緻知道 java 的發展即可。