所有的Java開發(fā)人員可能會(huì)遇到這樣的困惑?我該為堆內(nèi)存設(shè)置多大空間呢?OutOfMemoryError的異常到底涉及到運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)的哪塊區(qū)域?該怎么解決呢?其實(shí)如果你經(jīng)常解決服務(wù)器性能問題，那么這些問題就會(huì)變的非常常見，了解JVM內(nèi)存也是為了服務(wù)器出現(xiàn)性能問題的時(shí)候可以快速的了解那塊的內(nèi)存區(qū)域出現(xiàn)問題，以便于快速的解決生產(chǎn)故障。

先看一張圖，這張圖能很清晰的說明JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)布局。

JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)主要有三大塊：堆內(nèi)存、方法區(qū)和棧。堆內(nèi)存是JVM中***的一塊由年輕代和老年代組成，而年輕代內(nèi)存又被分成三部分，Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間,默認(rèn)情況下年輕代按照8:1:1的比例來分配;

方法區(qū)存儲(chǔ)類信息、常量、靜態(tài)變量等數(shù)據(jù)，是線程共享的區(qū)域，為與Java堆區(qū)分，方法區(qū)還有一個(gè)別名Non-Heap(非堆);棧又分為java虛擬機(jī)棧和本地方法棧主要用于方法的執(zhí)行。

在通過一張圖來了解如何通過參數(shù)來控制各區(qū)域的內(nèi)存大小

控制參數(shù)

• -Xms設(shè)置堆的最小空間大小。
• -Xmx設(shè)置堆的***空間大小。
• -XX:NewSize設(shè)置新生代最小空間大小。
• -XX:MaxNewSize設(shè)置新生代***空間大小。
• -XX:PermSize設(shè)置***代最小空間大小。
• -XX:MaxPermSize設(shè)置***代***空間大小。
• -Xss設(shè)置每個(gè)線程的堆棧大小。

沒有直接設(shè)置老年代的參數(shù)，但是可以設(shè)置堆空間大小和新生代空間大小兩個(gè)參數(shù)來間接控制。

老年代空間大小=堆空間大小-年輕代大空間大小

從更高的一個(gè)維度再次來看JVM和系統(tǒng)調(diào)用之間的關(guān)系

方法區(qū)和對(duì)是所有線程共享的內(nèi)存區(qū)域;而java棧、本地方法棧和程序員計(jì)數(shù)器是運(yùn)行是線程私有的內(nèi)存區(qū)域。

下面我們?cè)敿?xì)介紹每個(gè)區(qū)域的作用

Java堆(Heap)

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說，Java堆(Java Heap)是Java虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中***的一塊。Java堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建。此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對(duì)象實(shí)例，幾乎所有的對(duì)象實(shí)例都在這里分配內(nèi)存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此很多時(shí)候也被稱做“GC堆”。如果從內(nèi)存回收的角度看，由于現(xiàn)在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆中還可以細(xì)分為：新生代和老年代;再細(xì)致一點(diǎn)的有Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間等。

根據(jù)Java虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定，Java堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，只要邏輯上是連續(xù)的即可，就像我們的磁盤空間一樣。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，既可以實(shí)現(xiàn)成固定大小的，也可以是可擴(kuò)展的，不過當(dāng)前主流的虛擬機(jī)都是按照可擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)的(通過-Xmx和-Xms控制)。

如果在堆中沒有內(nèi)存完成實(shí)例分配，并且堆也無法再擴(kuò)展時(shí)，將會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。

方法區(qū)(Method Area)

方法區(qū)(Method Area)與Java堆一樣，是各個(gè)線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存儲(chǔ)已被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。雖然Java虛擬機(jī)規(guī)范把方法區(qū)描述為堆的一個(gè)邏輯部分，但是它卻有一個(gè)別名叫做Non-Heap(非堆)，目的應(yīng)該是與Java堆區(qū)分開來。

對(duì)于習(xí)慣在HotSpot虛擬機(jī)上開發(fā)和部署程序的開發(fā)者來說，很多人愿意把方法區(qū)稱為“***代”(Permanent Generation)，本質(zhì)上兩者并不等價(jià)，僅僅是因?yàn)镠otSpot虛擬機(jī)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)選擇把GC分代收集擴(kuò)展至方法區(qū)，或者說使用***代來實(shí)現(xiàn)方法區(qū)而已。

Java虛擬機(jī)規(guī)范對(duì)這個(gè)區(qū)域的限制非常寬松，除了和Java堆一樣不需要連續(xù)的內(nèi)存和可以選擇固定大小或者可擴(kuò)展外，還可以選擇不實(shí)現(xiàn)垃圾收集。相對(duì)而言，垃圾收集行為在這個(gè)區(qū)域是比較少出現(xiàn)的，但并非數(shù)據(jù)進(jìn)入了方法區(qū)就如***代的名字一樣“***”存在了。這個(gè)區(qū)域的內(nèi)存回收目標(biāo)主要是針對(duì)常量池的回收和對(duì)類型的卸載，一般來說這個(gè)區(qū)域的回收“成績(jī)”比較難以令人滿意，尤其是類型的卸載，條件相當(dāng)苛刻，但是這部分區(qū)域的回收確實(shí)是有必要的。

根據(jù)Java虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定，當(dāng)方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時(shí)，將拋出OutOfMemoryError異常。

方法區(qū)有時(shí)被稱為持久代(PermGen)。

所有的對(duì)象在實(shí)例化后的整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，都被存放在堆內(nèi)存中。堆內(nèi)存又被劃分成不同的部分：伊甸區(qū)(Eden)，幸存者區(qū)域(Survivor Sapce)，老年代(Old Generation Space)。

方法的執(zhí)行都是伴隨著線程的。原始類型的本地變量以及引用都存放在線程棧中。而引用關(guān)聯(lián)的對(duì)象比如String，都存在在堆中。為了更好的理解上面這段話，我們可以看一個(gè)例子：

import java.text.SimpleDateFormat; 
import java.util.Date; 
import org.apache.log4j.Logger; 
  
public class HelloWorld { 
    private static Logger LOGGER = Logger.getLogger(HelloWorld.class.getName()); 
    public void sayHello(String message) { 
        SimpleDateFormat formatter = new SimpleDateFormat("dd.MM.YYYY"); 
        String today = formatter.format(new Date()); 
        LOGGER.info(today + ": " + message); 
    } 
} 

這段程序的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存放如下：

通過JConsole工具可以查看運(yùn)行中的Java程序(比如Eclipse)的一些信息：堆內(nèi)存的分配，線程的數(shù)量以及加載的類的個(gè)數(shù);

程序計(jì)數(shù)器(Program Counter Register)

程序計(jì)數(shù)器(Program Counter Register)是一塊較小的內(nèi)存空間，它的作用可以看做是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。在虛擬機(jī)的概念模型里(僅是概念模型，各種虛擬機(jī)可能會(huì)通過一些更高效的方式去實(shí)現(xiàn))，字節(jié)碼解釋器工作時(shí)就是通過改變這個(gè)計(jì)數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個(gè)計(jì)數(shù)器來完成。

由于Java虛擬機(jī)的多線程是通過線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時(shí)間的方式來實(shí)現(xiàn)的，在任何一個(gè)確定的時(shí)刻，一個(gè)處理器(對(duì)于多核處理器來說是一個(gè)內(nèi)核)只會(huì)執(zhí)行一條線程中的指令。因此，為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，各條線程之間的計(jì)數(shù)器互不影響，獨(dú)立存儲(chǔ)，我們稱這類內(nèi)存區(qū)域?yàn)?ldquo;線程私有”的內(nèi)存。

如果線程正在執(zhí)行的是一個(gè)Java方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址;如果正在執(zhí)行的是Natvie方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器值則為空(Undefined)。

此內(nèi)存區(qū)域是唯一一個(gè)在Java虛擬機(jī)規(guī)范中沒有規(guī)定任何OutOfMemoryError情況的區(qū)域。

JVM棧(JVM Stacks)

與程序計(jì)數(shù)器一樣，Java虛擬機(jī)棧(Java Virtual Machine Stacks)也是線程私有的，它的生命周期與線程相同。虛擬機(jī)棧描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個(gè)方法被執(zhí)行的時(shí)候都會(huì)同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)棧幀(Stack Frame)用于存儲(chǔ)局部變量表、操作棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息。每一個(gè)方法被調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧中從入棧到出棧的過程。

局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數(shù)據(jù)類型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、對(duì)象引用(reference類型，它不等同于對(duì)象本身，根據(jù)不同的虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)，它可能是一個(gè)指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔槪部赡苤赶蛞粋€(gè)代表對(duì)象的句柄或者其他與此對(duì)象相關(guān)的位置)和returnAddress類型(指向了一條字節(jié)碼指令的地址)。

其中64位長(zhǎng)度的long和double類型的數(shù)據(jù)會(huì)占用2個(gè)局部變量空間(Slot)，其余的數(shù)據(jù)類型只占用1個(gè)。局部變量表所需的內(nèi)存空間在編譯期間完成分配，當(dāng)進(jìn)入一個(gè)方法時(shí)，這個(gè)方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的，在方法運(yùn)行期間不會(huì)改變局部變量表的大小。

在Java虛擬機(jī)規(guī)范中，對(duì)這個(gè)區(qū)域規(guī)定了兩種異常狀況：如果線程請(qǐng)求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常;如果虛擬機(jī)棧可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展(當(dāng)前大部分的Java虛擬機(jī)都可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，只不過Java虛擬機(jī)規(guī)范中也允許固定長(zhǎng)度的虛擬機(jī)棧)，當(dāng)擴(kuò)展時(shí)無法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存時(shí)會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。

本地方法棧(Native Method Stacks)

本地方法棧(Native Method Stacks)與虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，其區(qū)別不過是虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行Java方法(也就是字節(jié)碼)服務(wù)，而本地方法棧則是為虛擬機(jī)使用到的Native方法服務(wù)。虛擬機(jī)規(guī)范中對(duì)本地方法棧中的方法使用的語言、使用方式與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并沒有強(qiáng)制規(guī)定，因此具體的虛擬機(jī)可以自由實(shí)現(xiàn)它。甚至有的虛擬機(jī)(譬如Sun HotSpot虛擬機(jī))直接就把本地方法棧和虛擬機(jī)棧合二為一。與虛擬機(jī)棧一樣，本地方法棧區(qū)域也會(huì)拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

哪兒的OutOfMemoryError

對(duì)內(nèi)存結(jié)構(gòu)清晰的認(rèn)識(shí)同樣可以幫助理解不同OutOfMemoryErrors：

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

原因：對(duì)象不能被分配到堆內(nèi)存中

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

原因：類或者方法不能被加載到老年代。它可能出現(xiàn)在一個(gè)程序加載很多類的時(shí)候，比如引用了很多第三方的庫(kù);

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

原因：創(chuàng)建的數(shù)組大于堆內(nèi)存的空間

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

原因：分配本地分配失敗。JNI、本地庫(kù)或者Java虛擬機(jī)都會(huì)從本地堆中分配內(nèi)存空間。

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

原因：同樣是本地方法內(nèi)存分配失敗，只不過是JNI或者本地方法或者Java虛擬機(jī)發(fā)現(xiàn)

【本文為51CTO專欄作者“純潔的微笑”的原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請(qǐng)通過微信公眾號(hào)聯(lián)系作者獲取授權(quán)】

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