JVM内存结构和Java内存模型

jessehzx

所有的Java开发人员可能都会遇到这样的困惑：我该为堆内存设置多大空间？OutOfMemoryError的异常到底涉及到运行时数据的哪块区域？我该怎么解决线上内存溢出的问题？

某东618活动，我下单了三本书，其中一本便是《深入理解Java虚拟机（第2版）》，连续看了2天，收获颇丰，有一种相见恨晚的感觉。接下来会刷第二遍、第三遍，推荐给还没入手的Java程序员，特别是搞后端开发的，建议只字不差地阅读，定有收获。

结合书本和Google，我头脑中有了JVM内存结构和Java内存模型的概念，不如把它们总结下，这些知识点也是面试中经常考察的点。

JVM内存结构

《深入理解Java虚拟机（第2版）》中的描述是下面这个样子的：

JVM的内存结构大概分为：

堆（Heap）：线程共享。所有的对象实例以及数组都要在堆上分配。回收器主要管理的对象。
方法区（Method Area）：线程共享。存储类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码。
方法栈（JVM Stack）：线程私有。存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口，对象指针。
本地方法栈（Native Method Stack）：线程私有。为虚拟机使用到的Native 方法服务。如Java使用c或者c++编写的接口服务时，代码在此区运行。
程序计数器（Program Counter Register）：线程私有。有些文章也翻译成PC寄存器（PC Register），同一个东西。它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。指向下一条要执行的指令。

先看一张图，这张图能很清晰的说明JVM内存结构的布局和相应的控制参数：

（图片来源于网络）

堆

堆的作用是存放对象实例和数组。从结构上来分，可以分为新生代和老年代。而新生代又可以分为Eden 空间、From Survivor 空间（s0）、To Survivor 空间（s1）。所有新生成的对象首先都是放在新生代的。需要注意，Survivor的两个区是对称的，没先后关系，所以同一个区中可能同时存在从Eden复制过来的对象，和从前一个Survivor复制过来的对象，而复制到老年代的只有从第一个Survivor区过来的对象。而且，Survivor区总有一个是空的。

控制参数

-Xms设置堆的最小空间大小。-Xmx设置堆的最大空间大小。-XX:NewSize设置新生代最小空间大小。-XX:MaxNewSize设置新生代最小空间大小。

垃圾回收

此区域是垃圾回收的主要操作区域。

异常情况

如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError 异常

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信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java 虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java 堆区分开来。

很多人愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC 分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。对于其他虚拟机（如BEA JRockit、IBM J9 等）来说是不存在永久代的概念的。在Java8中永生代彻底消失了。

控制参数

-XX:PermSize 设置最小空间 -XX:MaxPermSize 设置最大空间。

垃圾回收

对此区域会涉及但是很少进行垃圾回收。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意。

异常情况

根据Java 虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError。

方法栈

每个线程会有一个私有的栈。每个线程中方法的调用又会在本栈中创建一个栈帧。在方法栈中会存放编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference 类型，它不等同于对象本身。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

控制参数

-Xss控制每个线程栈的大小。

异常情况

在Java 虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：

- StackOverflowError：异常线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度时抛出；

- OutOfMemoryError 异常：虚拟机栈可以动态扩展，当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出。

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

区别不过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Native 方法服务。

控制参数

在Sun JDK中本地方法栈和方法栈是同一个，因此也可以用-Xss控制每个线程的大小。

异常情况

与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError 和OutOfMemoryError

异常。

程序计数器

它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

异常情况

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。

常见内存溢出错误

有了对内存结构清晰的认识，就可以帮助我们理解不同的OutOfMemoryErrors，下面列举一些比较常见的内存溢出错误，通过查看冒号“：”后面的提示信息，基本上就能断定是JVM运行时数据的哪个区域出现了问题。

Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

原因：对象不能被分配到堆内存中。

Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

原因：类或者方法不能被加载到老年代。它可能出现在一个程序加载很多类的时候，比如引用了很多第三方的库。

Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit

原因：创建的数组大于堆内存的空间。

Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: request <size> bytes for <reason>. Out of swap space?

原因：分配本地分配失败。JNI、本地库或者Java虚拟机都会从本地堆中分配内存空间。

Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: <reason> <stack trace>（Native method）

原因：同样是本地方法内存分配失败，只不过是JNI或者本地方法或者Java虚拟机发现。

关于OutOfMemoryError的更多信息可以查看：[Troubleshooting Guide for HotSpot VM”, Chapter 3 on “Troubleshooting on memory leaks]

Java内存模型

由上述对JVM内存结构的描述中，我们知道了堆和方法区是线程共享的。而局部变量，方法定义参数和异常处理器参数就不会在线程之间共享，它们不会有内存可见性问题，也不受内存模型的影响。

Java线程之间的通信由Java内存模型（本文简称为JMM）控制，JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。从抽象的角度来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存（main memory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（local memory），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在。它涵盖了缓存，写缓冲区，寄存器以及其他的硬件和编译器优化。Java内存模型的抽象示意图如下：

从上图来看，线程A与线程B之间如要通信的话，必须要经历下面2个步骤：

首先，线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。
然后，线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。

下面通过示意图来说明这两个步骤：

如上图所示，本地内存A和B有主内存中共享变量x的副本。假设初始时，这三个内存中的x值都为0。线程A在执行时，把更新后的x值（假设值为1）临时存放在自己的本地内存A中。当线程A和线程B需要通信时，线程A首先会把自己本地内存中修改后的x值刷新到主内存中，此时主内存中的x值变为了1。随后，线程B到主内存中去读取线程A更新后的x值，此时线程B的本地内存的x值也变为了1。

从整体来看，这两个步骤实质上是线程A在向线程B发送消息，而且这个通信过程必须要经过主内存。JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互，来为java程序员提供内存可见性保证。

重排序

在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。

这里说的重排序可以发生在好几个地方：编译器、运行时、JIT等，比如编译器会觉得把一个变量的写操作放在最后会更有效率，编译后，这个指令就在最后了（前提是只要不改变程序的语义，编译器、执行器就可以这样自由的随意优化），一旦编译器对某个变量的写操作进行优化（放到最后），那么在执行之前，另一个线程将不会看到这个执行结果。

当然了，写入动作可能被移到后面，那也有可能被挪到了前面，这样的“优化”有什么影响呢？这种情况下，其它线程可能会在程序实现“发生”之前，看到这个写入动作（这里怎么理解，指令已经执行了，但是在代码层面还没执行到）。通过内存屏障的功能，我们可以禁止一些不必要、或者会带来负面影响的重排序优化，在内存模型的范围内，实现更高的性能，同时保证程序的正确性。

下面我们来看一个重排序的例子：

Class Reordering {
  int x = 0, y = 0;
  public void writer() {
    x = 1;
    y = 2;
  }
  public void reader() {
    int r1 = y;
    int r2 = x;
  }
}

假设这段代码有2个线程并发执行，线程A执行writer方法，线程B执行reader方法，线程B看到y的值为2，因为把y设置成2发生在变量x的写入之后（代码层面），所以能断定线程B这时看到的x就是1吗？

当然不行！因为在writer方法中，可能发生了重排序，y的写入动作可能发在x写入之前，这种情况下，线程B就有可能看到x的值还是0。

在Java内存模型中，描述了在多线程代码中，哪些行为是正确的、合法的，以及多线程之间如何进行通信，代码中变量的读写行为如何反应到内存、CPU缓存的底层细节。

在Java中包含了几个关键字：volatile、final和synchronized，帮助程序员把代码中的并发需求描述给编译器。JMM中定义了它们的行为，确保正确同步的Java代码在所有的处理器架构上都能正确执行。

总结

1. 内存模型是考察coder对一门语言的理解能力，从而进一步延伸到对JVM优化，和平时学习的深度上，是Java面试中最重要的一部分。

2. 并发产生的bug非常难以调试，通常在测试代码中难以复现，当系统负载上来之后，一旦发生，又很难去捕捉，为了确保程序能够在任意环境正确的执行，最好是提前花点时间好好思考，虽然很难，但还是比调试一个线上bug来得容易的多。

参考文献

[JVM内存结构](JVM内存结构 - 博学无忧)
[Java虚拟机详解02—-JVM内存结构](Java虚拟机详解02----JVM内存结构 - 生命壹号 - 博客园)
[深入理解Java内存模型（一）——基础](深入理解Java内存模型（一）——基础 )

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编辑于 2018-07-07 16:12

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