JVM原理_内存篇

 

本文将以开发者角度对JVM相关工作原理进行介绍，我会持续更新，如果大家发现不对的地方，渴望能不吝赐教 。

 

 

 

一、JVM简介

 

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写,Java语言使用模式Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息,使得Java语言编译程序只需生成在Java 虚拟机上运行的目标代码(字节码),就可以在多种平台上不加修改地运行。Java虚拟机在执行字节码时,把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。JVM 也有自己的相关规范，使得第三方可以开发出自己的JVM，比如IBMJVM，MSJVM，HOTSPOT JVM（SUN）。本文是参考HOTSPOT JVM进行介绍。

 

二、JVM内存结构

 

JVM内存框架图

 

 

 

 

注： 上图的序号是从左向右进行标记，序号顺序不代表逻辑关系

 

下面我们将按逻辑关系进行介绍

 

1 JVM Process Heap

32位OS：最多约2GB

64位OS：更多。

 

 

 

2 Java Object Heap(JAVA Heap)

通常被称为JVM  heap ，容易和JVM process Heap混淆，它是用来存储java OBject的如：

Object的实例和Object的基本数据及引用。

 

-XX:MinHeapFreeRatio=

Default is 40 (40%)

-XX:MaxHeapFreeRatio=

Default 70%

 

JVM初始分配的内存由-Xms指定，默认是物理内存的1/64；JVM最大分配的内存由-Xmx指定，默认是物理内存的1/4。默认空余堆内存小 于40%时，JVM就会增大堆直到-Xmx的最大限制；空余堆内存大于70%时，JVM会减少堆直到-Xms的最小限制。因此服务器一般设置-Xms、-Xmx相等以避免在每次GC后调整堆的大小。

 

 

 

3、Young Generation

所有新创建的Object 都将会存储在这里。

配置方式 ：

-Xmn – not preferred (fixed value)

-XX:NewRatio=<value> - preferred

(dynamic)

官方推荐的配置是新生代(Young Generation)占整个Java Object Heap内存的33%

4、Eden Space

新的Object总是创建在Eden Space。

 

5、Old Generation

 

如果Young Generation的数据在一次或多次GC后存活下来，那么将被转移到OldGeneration。

 

6、Survivor Spaces

 

GC时，Eden中活的对象复制到surivivor spaces ，当对象达到最打值（老化）时，被送到Old Generation

10、Tenured Space

5MB min 44MB max (default)

 

这就是传说中的老年代，官方给的解释就是:

pool containing objects that have existed for some time in the survivor space.

 

 

11、Everything else

这其实就是我们常常见到的no-heap

 

 

12、Permanent Space

4MB initial , 63MB max

存储class的函数及其他的meta Data.

配置方式：

-XX:PermSize=<value> (initial)

-XX:MaxPermSize=<value> (max)

 

13、Code Generation

 

转换byte code 为native code.

基本不会导致内存异常。

如果该操作没有足够的空间，JVM可能会导致崩溃。

 

 

14、Socket Buffers

包括两部分：1：Receive buffer ~37k   2:Send buffer ~25k

需要在JAVA代码中来控制他，所以在外部无法配置。

 

他可能导致的异常：IOException: Too many open files (for

example)

 

 

15、Threaded JVM Stacks

 

jvm stacks:

 

jvm stack: frame data 、operand stack ...

 

 

Thread Stacks:

表示各个Thread所分配的空间。

默认至取决于OS/JVM

线程数增加，Thread Stacks则增大。

配置： –Xss

 

异常：java.lang.OutOfMemoryError:

unable to create new native thread

如果-Xss配置的太小，会引起

java.lang.StackOverflowError

 

16、Direct Memory Space

 

他可以让开发人员映射内存到java Object Heap外。

配置: XX:MaxDirectMemorySize=<value>

 

 

17、JNI Code 、

 

JNI code本身使用的内存非常小。

 

19、JNI allocate memory

JNI 程序本身也需要分配内存。

 

 

18、Garbage Collection

 

其实GC也是需要内存的，gc线程的消耗以及存放GC所缓存的信息。

 

这里简单介绍下GC的历史：

GC始于1959 –LISP语言

他的初衷：

1、 自动内存清理

2、 让开发变得简单

3、 让debug更方便

 

Gc的过程

1、锁(Lock it down)

所有对象在GC时会被锁定，以保证他们不会变化。

2、标记(Mark)

遍历所有对象，标记 不可到达阶段的对象(unreachable)为 垃圾（需要回收）

3、清理（Sweep）

删除所有被标记对象

清理内存

 

GC在早及的JAVA版本中的问题

1、GC不能很好的协调。

2、只有一个算法。

3、标记(Mark)、清理(Sweep)需要扫描整个Heap，需要花费很久的时间。当然该时间取决与堆的大小。所以人们发明了永久性空间(Permanent Space)

 

 

GC工作原理:

Eden——所有新创建的对象都被放置在这里。

Survivor——当Eden区空间不足时，会将其中依旧存活的对象拷贝到两块Survivor区域（FromSpace和                     ToSpace）中的一个，如果此时这个Survivor区域也空间不足，则将该块区域中存活的对象拷贝到另一块区域中。           注意，总有一个Survivor区域是空的。

对Young Generation的垃圾回收叫minor GC，通常很多的对象都活不过一次GC。

 

Old Generation——但一个Survivor区域满了的时候，会将该区域中已经历一定次数GC而依旧存活的对象放到Old Generation中。如果Old Generation也满了，那就要Full GC了。Full GC很耗性能，当Full GC进行时，应用程序会暂停。由于大部分对象都活不过一次GC，所以如果服务器上频繁的发生Full GC，就要关注下是不是出问题了。

 

 

三、引起的异常

 

 

 

 

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

原因：Heap内存溢出，意味着Young和Old generation的内存不够。

解决：调整java启动参数-Xms -Xmx 来增加Heap内存。

java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread

原因：Stack空间不足以创建额外的线程，要么是创建的线程过多，要么是Stack空间确实小了。

解决：由于JVM没有提供参数设置总的stack空间大小，但可以设置单个线程栈的大小；而系统的用户空间一共是3G，除了Text/Data/BSS /MemoryMapping几个段之外，Heap和Stack空间的总量有限，是此消彼长的。因此遇到这个错误，可以通过两个途径解决：1.通过-Xss启动参数减少单个线程栈大小，这样便能开更多线程（当然不能太小，太小会出现StackOverflowError）；2.通过-Xms -Xmx 两参数减少Heap大小，将内存让给Stack（前提是保证Heap空间够用）。

java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

原因：Permanent Generation空间不足，不能加载额外的类。

解决：调整-XX:PermSize= -XX:MaxPermSize= 两个参数来增大PermGen内存。一般情况下，这两个参数不要手动设置，只要设置-Xmx足够大即可，JVM会自行选择合适的PermGen大小。

java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit

原因：这个错误比较少见（试着new一个长度1亿的数组看看），同样是由于Heap空间不足。如果需要new一个如此之大的数组，程序逻辑多半是不合理的。

解决：修改程序逻辑吧。或者也可以通过-Xmx来增大堆内存。

在GC花费了大量时间，却仅回收了少量内存时，也会报出OutOfMemoryError ，我只遇到过一两次。当使用-XX:+UseParallelGC或-XX:+UseConcMarkSweepGC收集器时，在上述情况下会报错，在HotSpot GC Turning文档 上有说明：

The parallel(concurrent) collector will throw an OutOfMemoryError if too much time is being spent in garbage collection: if more than 98% of the total time is spent in garbage collection and less than 2% of the heap is recovered, an OutOfMemoryError will be thrown.

对这个问题，一是需要进行GC turning，二是需要优化程序逻辑。

java.lang.StackOverflowError

原因：这也内存溢出错误的一种，即线程栈的溢出，要么是方法调用层次过多（比如存在无限递归调用），要么是线程栈太小。

解决：优化程序设计，减少方法调用层次；调整-Xss参数增加线程栈大小。

 

IOException: Too many open files

原因： 这个是由于TCP connections 的buffer 大小不够用了。

 

java.lang.OutOfMemoryError:Direct buffer memory

 

解决：调整-XX:MaxDirectMemorySize=<value>