Java 虚拟机原理 (一) 内存划分

Java 虚拟机技术是每个 Java 开发工程师都应该深入掌握的。本系列文章将深入介绍 JVM 相关技术，主要包括内存划分、对象创建回收与分配以及垃圾收集三大部分。本系列文章将力求全面概要地汇总核心知识点，并使知识点串联成面，以方便学习、工作以及备忘复习。本文将介绍第一部分:内存划分。

JDK 体系架构

先从宏观上来看 JVM 所处的位置，且看官方文档的体系架构图：

JDK体系架构图.png

• JVM（Java Virtual Machine）：处于整个体系最底层，直接与不同的操作系统打交道，因此针对不同的系统有相应的 JVM 实现。Java 程序正是借助 JVM 实现了“一处编写处处运行“的跨平台能力；
• JRE（Java SE Runtime Environment）：Java 运行时环境，是在 JVM 基础上增加 Java 基础类库。Java 程序可以运行在 JRE 之上；
• JDK（Java SE Development Kit）：Java 开发工具包，是在 JRE 基础上增加了开发 Java 程序所需要的各种工具包。

因此本系列文章主要探讨最底层的 JVM 底层原理。

JVM 内存模型

JVM 内存模型图.jpg

上图展示的是以下样例代码的内存模型：

public class App {

    private int plus() {
        int a = 1;
        int b = 1;
        int c = a + b;
        return c;
    }

    public static void main(String[] args) {
        App obj = new App();
        System.out.println(obj.plus());
    }
}

JVM 运行时数据区域包括以下五部分：

• 程序计数器：每个线程都会有独立的程序计数器，用于记录当前程序运行到的位置，以便线程切换时能够恢复到当前运行位置；
• Java 虚拟机栈：即是图中线程内部的 Java 线程栈。每个线程也都拥有自己的线程栈。线程栈遵循先进后出（FILO）原则，内部包含多个栈帧。每一个栈帧由局部变量表、操作数栈、动态链接以及方法出口等构成；
• 本地方法栈：与虚拟机栈类似，但保存的是 native 方法调用栈；
• 堆：运行时数据区域中最大的一部分，是大部分对象保存的地方。JVM 常常使用分代收集算法回收该区域；
• 方法区：JDK8 里变更为元空间（metaspace），直接保存在直接内存中（注意直接内存不属于 JVM 运行时数据区域）。方法区主要保存类信息、运行时常量池、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

此外，直接内存也是非常重要一部分内存空间。 JVM 元数据空间以及 Java NIO 等都是用到直接内存。

JVM 参数

JVM 提供了若干参数来控制上述各个区域的大小，如下图所示：

JVM 内存模型与调优参数.jpg

配置样例如：

java -Xmx6g -Xms6g -Xmn3g -Xss512K -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC -XX:SurvivorRatio=8 -XX:MetaspaceSize=64m ‐XX:MaxMetaspaceSize=128M -jar myapp.jar

需要注意，元数据空间在缺省参数的情况下，默认初始大小为21M，如果发生空间不足，会触发 Full GC 进行扩容，且最大扩容空间可为所有的机器内存。所以一定要配置元数据空间参数，且 MetaspaceSize 和 MaxMetaspaceSize 最好相等，从而从根源上杜绝 Full GC 扩容。

• JVM内存模型：该文将 Java 内存模型介绍得非常具体详细。