深入理解JVM内存模型和JVM参数配置

深藏阁楼爱情的钟 2023-06-15 09:53 6阅读 0赞

### 前言 ###

对于大多数应用来说，Java 堆（Java Heap）是Java 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。

### JVM分代思想 ###

目前主流的虚拟机实现都采用了分代收集的思想，把整个堆区划分为新生代和老年代；新生代又被划分成Eden 空间、 From Survivor 和 To Survivor 三块区域。 我们把Eden : From Survivor : To Survivor 空间大小设成 8 : 1 : 1 ，对象总是在 Eden 区出生， From Survivor 保存当前的幸存对象， To Survivor 为空。一次 gc 发生后： 1）Eden 区活着的对象 ＋ From Survivor 存储的对象被复制到 To Survivor ；  2) 清空 Eden 和 From Survivor ； 3) 颠倒 From Survivor 和 To Survivor 的逻辑关系： From 变 To ， To 变 From 。可以看出，只有在 Eden 空间快满的时候才会触发 Minor GC 。而 Eden 空间占新生代的绝大部分，所以 Minor GC 的频率得以降低。当然，使用两个 Survivor 这种方式我们也付出了一定的代价，如 10% 的空间浪费、复制对象的开销等。

### 《深入理解JVM》中内存回收策略，主要关注的五个方面 ###

主要关注的点有：

1：Eden区分配

2：大对象直接进入老年代

3：长期存活的对象直接进入老年代

4：动态对象年龄判定

5：空间分配担保

首先明确新生代都是分配于Eden区的，所以Eden区是最重要也是内存回收最重要的管理区域，同时也是最频繁的内存替换区域。我们知道JVM将内存根据分代策略将内存分为三层，新生代所占据的内存、老年代所占据的内存以及永久代，我们这里不关注永久代，因为永久代是属于方法区内存的部分，而新生代和老年代都是属于堆内存区域的。

新生代中又继续分为三个子块，Eden区、Survivor from区、Survivor to区，实际上分为三个区的原因是为了方便采用复制-清除（详情请参考深入理解JVM中内存回收策略）策略而采用的策略，复制策略就是将原来存在的内存分为两个相等的区，使用一块进行新生代的内存分配，当要GC时，则将存活的对象复制进入另一块空闲的内存，然后将使用的内存进行清除，从而又有一个空闲区和一个使用区，并且不会有碎片问题。实际上并不需要两个1：1的分区比例，因为一般存活的对象很少，所以JVM聪明的讲新生代占据的总内存分为Eden：Survivor from：Survivor to = 8:1:1三部分，其中Eden就用来分配新的对象内存，Survivor from则用于GC时的复制，那为什么需要两个Survivor区呢，因为复制后Survivor from区虽然现在很整齐，没有碎片，当下一次进行回收时，Eden区和Survivor from区里都存在需要回收的对象，则Survivor from区也会出现碎片。

那么现在，我们看一下上述的五个部分：所有的新生代首先会在Eden区进行内存分配，当Eden区满时会进行一次Minor GC操作，将Eden区进行回收，此时判断存活的对象会被复制进入Survivor from区（年龄加1），对于大对象直接进入老年代，实际上是为了保证Eden区具有充足的空间可用的一种策略，采用-XX:PretenureSizeThreshold参数可以设置多大的对象可以直接进入老年代内存区域。对于长期存活的对象直接进入老年代，实际上时对Eden区到Survivor区过度的一种策略，是为了保证Eden区到Survivor区不会频繁的进行复制一直存活的对象且对Survivor区也能保证不会具有太多的一直占据的内存，采用-XX:MaxTenuringThreshold=数字 参数可以设置对象在经过多少次GC后会被放入老年代（年龄达到设置值，默认为15）。对于动态对象年龄判断，实际上是对Survivor区的一种策略，是为了保证Survivor区具有充足的空间用于分配，动态对象年龄只判断Survivor区是否存在相等对象年龄的对象是否超过Survivor from/to的一半时，直接将超过的对象放入老年代。对于空间分配担保实际上是针对老年代，为了保证老年代的内存区域具有充足的空间，不至于内存溢出的情况出现，在发生MinorGC之前，JVM会判断之前每次晋升到老年代的平均大小是否大于老年代剩余空间的大小，若大于则进行full GC（即回收所有区域），若小于，则还需要查看一个参数HandlePromotionFailure，即是否允许担保失败，因为实际上进入老年代的对象大小在GC前是未知的，这也是为什么采用之前晋升的平均值来进行判断担保，也就是说只是一种预测，并不能代表真实就是有这么多对象晋升，所以若不允许担保失败，即保守的人为一定会有超过剩余老年代区域的对象存入，则还是进行Full GC,否则，进行Minor GC。

### **JVM内存结构介绍** ###

###                **![format_png][]** ###

由上图可以清楚的看到JVM的内存空间分为3大部分：

1.  堆内存
2.  方法区
3.  栈内存

其中栈内存可以再细分为java虚拟机栈和本地方法栈,堆内存可以划分为新生代和老年代,新生代中还可以再次划分为Eden区、From Survivor区和To Survivor区。

**堆内存（Heap）**

对于大多数应用来说，Java 堆（Java Heap）是Java 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，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

堆内存是所有线程共有的，可以分为两个部分：年轻代和老年代。

下图中的Perm代表的是永久代，但是注意永久代并不属于堆内存中的一部分，**同时jdk1.8之后永久代已经被移除**。

![format_png 1][]

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 )

默认的，Eden : 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。

其中一部分是线程共享的，包括 Java 堆和方法区；另一部分是线程私有的，包括虚拟机栈和本地方法栈，以及程序计数器这一小部分内存。

**方法区（Method Area）**

**方法区也称"永久代"**，它用于存储虚拟机加载的**类信息、常量、静态变量、是各个线程共享的内存区域。**

在JDK8之前的HotSpot JVM，存放这些”永久的”的区域叫做“永久代(permanent generation)”。永久代是一片连续的堆空间，在JVM启动之前通过在命令行设置参数-XX:MaxPermSize来设定永久代最大可分配的内存空间，默认大小是64M（64位JVM默认是85M）。

随着JDK8的到来，JVM不再有 永久代(PermGen)。但类的元数据信息（metadata）还在，只不过不再是存储在连续的堆空间上，而是移动到叫做“Metaspace”的本地内存（Native memory）。

方法区或永生代相关设置

*  \-XX:PermSize=64MB 最小尺寸，初始分配
 *  \-XX:MaxPermSize=256MB 最大允许分配尺寸，按需分配
 *  XX:+CMSClassUnloadingEnabled -XX:+CMSPermGenSweepingEnabled 设置垃圾不回收
 *  默认大小
 *  \-server选项下默认MaxPermSize为64m
 *  \-client选项下默认MaxPermSize为32m

**虚拟机栈(JVM Stack)**

描述的是java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会创建一个"栈帧",用于存储局部变量表(包括参数)、操作栈、方法出口等信息。每个方法被调用到执行完的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

**本地方法栈(Native Stack)**

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。

**程序计数器（PC Register）**

程序计数器是用于标识当前线程执行的字节码文件的行号指示器。多线程情况下，每个线程都具有各自独立的程序计数器，所以该区域是非线程共享的内存区域。

当执行java方法时候，计数器中保存的是字节码文件的行号；当执行Native方法时，计数器的值为空。

**直接内存**

直接内存并不是虚拟机内存的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。jdk1.4中新加入的NIO，引入了通道与缓冲区的IO方式，它可以调用Native方法直接分配堆外内存，这个堆外内存就是本机内存，不会影响到堆内存的大小。

**JVM内存参数设置**

**![format_png 2][]**

*  \-Xms设置堆的最小空间大小。
 *  \-Xmx设置堆的最大空间大小。
 *  \-Xmn:设置年轻代大小
 *  \-XX:NewSize设置新生代最小空间大小。
 *  \-XX:MaxNewSize设置新生代最大空间大小。
 *  \-XX:PermSize设置永久代最小空间大小。
 *  \-XX:MaxPermSize设置永久代最大空间大小。
 *  \-Xss设置每个线程的堆栈大小
 *  \-XX:+UseParallelGC:选择垃圾收集器为并行收集器。此配置仅对年轻代有效。即上述配置下,年轻代使用并发收集,而年老代仍旧使用串行收集。
 *  \-XX:ParallelGCThreads=20:配置并行收集器的线程数,即:同时多少个线程一起进行垃圾回收。此值最好配置与处理器数目相等。

典型JVM参数配置参考:

*  java-Xmx3550m-Xms3550m-Xmn2g-Xss128k
 *  \-XX:ParallelGCThreads=20
 *  \-XX:+UseConcMarkSweepGC-XX:+UseParNewGC

\-Xmx3550m:设置JVM最大可用内存为3550M。

\-Xms3550m:设置JVM促使内存为3550m。此值可以设置与-Xmx相同,以避免每次垃圾回收完成后JVM重新分配内存。

\-Xmn2g:设置年轻代大小为2G。整个堆大小=年轻代大小+年老代大小+持久代大小。持久代一般固定大小为64m,所以增大年轻代后,将会减小年老代大小。此值对系统性能影响较大,官方推荐配置为整个堆的3/8。

\-Xss128k:设置每个线程的堆栈大小。JDK5.0以后每个线程堆栈大小为1M,以前每个线程堆栈大小为256K。更具应用的线程所需内存大 小进行调整。在相同物理内存下,减小这个值能生成更多的线程。但是操作系统对一个进程内的线程数还是有限制的,不能无限生成,经验值在3000~5000 左右。

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