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JVM的简化架构和运行时数据区

JVM的简化架构

运行时数据区

PC寄存器

Java栈

Java堆

方法区

运行时常量池

本地方法栈

栈、堆、方法区交互关系

Java堆内存模型和分配

Java堆内存概述

Java堆的结构

对象的内存布局

对象的访问定位

Trace跟踪和Java堆的参数配置

Trace跟踪参数

GC日志格式

Java堆的参数

元空间的参数

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• JVM的简化架构和运行时数据区

• JVM的简化架构

  

• 运行时数据区

  • 包括：PC寄存器、Java虚拟机栈、Java堆、方法区、运行时常量池、本地方法栈等

• PC寄存器

• PC(Program Counter)寄存器说明：
  • (1)每个线程拥有一个PC寄存器，是线程私有的，用来存储指向下一条指令的地址
  • (2)在创建线程的时候，创建相应的PC寄存器
  • (3)执行本地方法时，PC寄存器的值为undefined
  • (4)是一块较小的内存空间，是唯一一个在JVM规范中没有规定OutOfMemoryError的内存区域

• Java栈

• 栈由一系列帧(Frame)组成(因此Java栈也叫做帧栈)，是线程私有的
• 帧用来保存一个方法的局部变量、操作数栈(Java没有寄存器，所有参数传递使用操作数栈)、常量池指针、动态链接、方法返回值等
• 每一次方法调用创建一个帧，并压栈，退出方法的时候，修改栈顶指针就可以把栈帧中的内容销毁
• 局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型和引用类型，每个slot存放32位的数据，long、double占两个槽位
• 栈的优点：存取速度比堆快，仅次于寄存器
• 栈的缺点：存在栈中的数据大小、生存期是在编译期决定的，缺乏灵活性

• Java堆

• 用来存放应用系统创建的对象和数组，所有线程共享Java堆
• GC主要就管理堆空间，对分代GC来说，堆也是分代的
• 堆的优点：运行期动态分配内存大小，自动进行垃圾回收；
• 堆的缺点：效率相对较慢

• 方法区

• 方法区是线程共享的，通常用来保存装载的类的结构信息
• 通常和元空间关联在一起，但具体的跟JVM实现和版本有关
• JVM规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但它有一个别名称为Non-heap(非堆)，应是为了与Java堆区分开

• 运行时常量池

• 是Class文件中每个类或接口的常量池表
• 在运行期间的表示形式，通常包括：类的版本、字段、方法、接口等信息
• 在方法区中分配
• 通常在加载类和接口到JVM后，就创建相应的运行时常量池

• 本地方法栈

• 在JVM中用来支持native方法执行的栈就是本地方法栈

• 栈、堆、方法区交互关系

  

• Java堆内存模型和分配

• Java堆内存概述

• Java堆用来存放应用系统创建的对象和数组，所有线程共享Java堆
• Java堆是在运行期动态分配内存大小，自动进行垃圾回收
• Java垃圾回收(GC)主要就是回收堆内存，对分代GC来说，堆也是分代的

• Java堆的结构

  

• 新生代用来放新分配的对象
• 新生代中经过垃圾回收，没有回收掉的对象，被复制到老年代
• 老年代存储对象比新生代存储对象的年龄大得多
• 老年代存储一些大对象
• 整个堆大小 = 新生代 + 老年代
• 新生代 = Eden + 存活区
• 从前的持久代，用来存放Class、Method等元信息的区域，从JDK8开始去掉了，取而代之的是元空间(MetaSpace)
• 元空间并不在虚拟机里面，而是直接使用本地内存

• 对象的内存布局

• 对象在内存中存储的布局(这里以HotSpot虚拟机为例来说明)
• 分为：对象头、实例数据和对齐填充
• 对象头，包含两个部分：
  • (1)Mark Word：存储对象自身的运行数据，如：
    • HashCode、GC分代年龄、锁状态标志等
  • (2)类型指针：对象指向它的类元数据的指针
• 实例数据
  • 真正存放对象实例数据的地方
• 对齐填充
• 这部分不一定存在，也没有什么特别含义，仅仅是占位符
• 因为HotSpot要求对象起始地址都是8字节的整数倍，如果不是，就对齐

• 对象的访问定位

• 在JVM规范中只规定了reference类型是一个指向对象的引用，但没有规定这个引用具体如何去定位、访问堆中对象的具体位置
• 因此对象的访问方式取决于JVM的实现
• 目前主流的有：使用句柄或使用指针两种方式
• 使用句柄：
• Java堆中会划分出一块内存来做为句柄池，reference中存储句柄的地址
• 句柄中存储对象的实例数据和类元数据的地址，如下图所示：

  

• 使用指针：
• Java堆中会存放访问类元数据的地址
• reference存储的就直接是对象的地址，如下图所示：

  

• Trace跟踪和Java堆的参数配置

• Trace跟踪参数

• 可以打印GC的简要信息：-Xlog:gc
• 打印GC详细信息：-Xlog:gc*
• 指定GC log的位置，以文件输出：-Xlog:gc:garbage-collection.log
• 每一次GC后，都打印堆信息：-Xlog:gc+heap=debug

• GC日志格式

• GC发生的时间，也就是JVM从启动以来经过的秒数
• 日志级别信息，和日志类型标记
• GC识别号
• GC类型和说明GC的原因
• 容量：GC前容量->GC后容量(该区域总容量)
• GC持续时间，单位秒
• 有的收集器会有更详细的描述，比如：user表示应用程序消耗的时间，sys表示系统内核消耗的时间、real表示操作从开始到结束的时间

• Java堆的参数

• Xms：初始堆大小，默认物理内存的1/64
• Xmx：最大堆大小，默认物理内存的1/4
• Xmn：新生代大小，默认整个堆的3/8
• -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError:OOM时导出堆到文件
• -XX:+HeapDumpPath：导出OOM的路径
• -XX:OnOutOfMemoryError：在OOM时，执行一个脚本
• -XX:NewRatio：老年代与新生代的比值
• 如果xms＝xmx，且设置了xmn的情况下，该参数不用设置
• -XX:SurvivorRatio：Eden区和Survivor区的大小比值
• 设置为8，则两个Survivor区与一个Eden区的比值为2:8，一个Survivor占整个新生的1/10
• -Xss：通常只有几百K，决定了函数调用的深度

• 元空间的参数

• -XX:MetaspaceSize：初始空间大小
• -XX:MaxMetaspaceSize：最大空间，默认是没有限制的
• -XX:MinMetaspaceFreeRatio：在GC之后，最小的Metaspace剩余空间容量的百分比
• -XX:MaxMetaspaceFreeRatio：在GC之后，最大的Metaspace剩余空间容量的百分比