一文讀懂JVM是什么

前言

由于先前也遇到過(guò)一些性能問(wèn)題，OOM算是其中的一大類了。因此也對(duì)jvm產(chǎn)生了一些興趣。自己對(duì)jvm略做了些研究。后續(xù)繼續(xù)補(bǔ)充。

從oom引申出去

既然說(shuō)到oom，首先需要知道oom的原因是什么。為啥會(huì)oom嘞？
oom的定義是outofmemory。當(dāng)內(nèi)存想為對(duì)象分配內(nèi)存的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)內(nèi)存不足以去分配內(nèi)存，或者gc的時(shí)候發(fā)現(xiàn)沒(méi)有可以被回收的對(duì)象或回收后的內(nèi)存也不足以為對(duì)象分配內(nèi)存。

因此拋出這個(gè)java異常。

oom
可以分為以下四類

1.堆溢出：java堆

2.棧溢出：虛擬機(jī)棧和本地方法棧

3.方法區(qū)內(nèi)存溢出：方法區(qū)和內(nèi)存時(shí)常量池

4.本機(jī)直接內(nèi)存溢出

因此，需要先了解堆，棧，方法區(qū)都是些啥

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)

先上圖

程序計(jì)數(shù)器：當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。

java虛擬機(jī)的多線程是通過(guò)輪流切換線程，并為線程分配執(zhí)行時(shí)間片去運(yùn)行來(lái)執(zhí)行的。每個(gè)線程都有一個(gè)自己的程序計(jì)數(shù)器。我覺(jué)得這個(gè)可以這么理解：當(dāng)一個(gè)線程在運(yùn)行的時(shí)候，每執(zhí)行一步程序計(jì)數(shù)器都會(huì)有個(gè)記錄，記錄當(dāng)前執(zhí)行到哪一步了。如果線程被切換后又切換回來(lái)，那么通過(guò)程序計(jì)數(shù)器就能知道執(zhí)行到哪一步了，然后繼續(xù)向下執(zhí)行。

虛擬機(jī)棧：每個(gè)線程都會(huì)有一個(gè)虛擬機(jī)棧。虛擬機(jī)棧描述的是java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型。因?yàn)榫€程執(zhí)行的過(guò)程就是執(zhí)行線程里的一個(gè)個(gè)方法，而每個(gè)方法都會(huì)創(chuàng)建對(duì)應(yīng)自己的棧幀。

棧幀里存的內(nèi)容如下：

局部變量表：存放了各種編譯期可知基本數(shù)據(jù)類型，對(duì)象引用（引用指針或句柄）

操作數(shù)棧：大多數(shù)指令都要從這里彈出數(shù)據(jù)，執(zhí)行運(yùn)算，然后把結(jié)果壓回操作數(shù)棧

動(dòng)態(tài)鏈接

方法出口

64位的long和都double類型數(shù)據(jù)占用2個(gè)局部變量空間，其他數(shù)據(jù)類型占用一個(gè)，也就是每個(gè)局部變量空間為32位。

在這個(gè)地方，如果線程請(qǐng)求的深度大于虛擬機(jī)允許的深度，會(huì)拋出StackOverflowError.因?yàn)閖vm分配給虛擬機(jī)棧的內(nèi)存是有限的，而每個(gè)方法都會(huì)有對(duì)應(yīng)的棧幀壓入到棧中，如果調(diào)用方法過(guò)多，那么棧滿了自然也就溢出了。（可能的場(chǎng)景：死循環(huán)代碼，大量遞歸調(diào)用，那排查問(wèn)題的時(shí)候也可以由此有一個(gè)思路）。可以通過(guò)調(diào)整-Xss去調(diào)整棧大小。

大部分java虛擬機(jī)允許動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，但如果擴(kuò)展的時(shí)候也申請(qǐng)不到足夠內(nèi)存時(shí)，就會(huì)報(bào)OOM了。

本地方法棧：和虛擬機(jī)發(fā)揮作用相似。區(qū)別：虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行java方法服務(wù)，本地方法棧為虛擬機(jī)使用的Native方法服務(wù)。Native Method就是一個(gè)java調(diào)用非java代碼的接口，Native方法的實(shí)現(xiàn)由非java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。讀者不用糾結(jié)，略作了解即可。

堆：堆是所有線程共享的一塊內(nèi)存，作用是存放對(duì)象實(shí)例。堆可以分為新生代和老年代。新生代里還可細(xì)分為Eden,From survivor,To survivor等空間。后面講述GC過(guò)程時(shí)會(huì)說(shuō)到。

方法區(qū)：也是所有線程共享的一塊內(nèi)存，存放被虛擬機(jī)加載的類信息，常量，靜態(tài)變量，編譯器編譯后的代碼。也就是常說(shuō)的永久代。

永久代的大小可以用-XX:MaxPermSize去設(shè)置。

運(yùn)行時(shí)常量池：方法區(qū)的一部分。存放編譯期生成的各種字面量和符號(hào)引用。字面量就是指這個(gè)量本身。比如字面量2，就是指2.

運(yùn)行時(shí)常量池有一個(gè)重要特性就是動(dòng)態(tài)性。常量不一定只有編譯期才能產(chǎn)生，運(yùn)行期間也可能將新的常量放入常量池。詳情可見(jiàn)String類的

intern()方法。

直接內(nèi)存：它不是虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，但也頻繁的被使用。直接內(nèi)存不會(huì)受到j(luò)ava堆大小的限制，但是會(huì)受到本機(jī)總內(nèi)存的限制。

GC過(guò)程

GC分為新生代GC（minor gc）和老年代GC(full gc)。新生代GC的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于老年代。而且

新生代GC的速度會(huì)比老年代的GC速度快10倍以上。根源在于新生代和老年代使用的GC算法不同。讀者們可以去仔細(xì)思考下(答案文中有，哈哈)。新生代/老年代大小默認(rèn)為1：2。

新生代GC過(guò)程：

新生代里可細(xì)分為Eden,From survivor,To survivor等空間。當(dāng)我們需要給對(duì)象分配內(nèi)存的時(shí)候，首先我們會(huì)在Eden區(qū)為對(duì)象分配內(nèi)存，當(dāng)Eden區(qū)內(nèi)存不足時(shí)，會(huì)發(fā)生minor gc，此時(shí)會(huì)把仍然存活的對(duì)象放到From survivor，并給對(duì)象標(biāo)記存活次數(shù)1；然后當(dāng)Eden區(qū)再次被用完后，對(duì)Eden區(qū)和From survivor區(qū)篩選出存活的對(duì)象，放到To survivor區(qū)，清空Eden區(qū)和From survivor區(qū)，存活次數(shù)加1，之前存活的就是2了。

以此類推，默認(rèn)是當(dāng)存活次數(shù)到達(dá)15次（可配置）的時(shí)候，把這個(gè)對(duì)象存入老年代中。同時(shí)也可以看到，F(xiàn)rom survivor,To survivor區(qū)始終有一個(gè)是空置的。所以新生代使用的只有9/10的空間。
然而大家可以思考一下。Eden區(qū)和survivor區(qū)的大小為8：1，那么發(fā)生minor gc后如果存活的對(duì)象
的大小比survivor區(qū)還要大。這個(gè)時(shí)候會(huì)怎么處理？

這里需要引入一個(gè)叫“內(nèi)存分配擔(dān)保機(jī)制”的概念。就是當(dāng)存活的對(duì)象連survivor區(qū)都放不下的時(shí)候，這部分放不下的對(duì)象會(huì)直接進(jìn)入老年代。老年代是擔(dān)保人。老年代進(jìn)行擔(dān)保，前提是老年代還有剩余空間。但是每次存活下來(lái)的對(duì)象大小是不確定的。所以只好取之前每次存儲(chǔ)到老年代的對(duì)象大小的平均值。如果大于平均值，那么直接full gc。但是為了避免頻繁full gc，仍然會(huì)開(kāi)啟handlepromotionfailure配置。如下圖

老年代GC過(guò)程：

老年代采用了標(biāo)記整理，標(biāo)記清楚的算法。老年代會(huì)把仍然存活的對(duì)象都整理統(tǒng)一放到一邊。整理完成后就會(huì)清楚掉邊界外的對(duì)象。這樣就避免了產(chǎn)生大量的內(nèi)存碎片的問(wèn)題。但是整理算法相較于新生代采用的復(fù)制算法，復(fù)雜程度肯定更高。這也導(dǎo)致了full gc的速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于minor gc。


審核編輯：劉清