Java 进阶 04 —— JVM 内存模型：堆和栈是什么？

JVM 运行时数据区概述

内存是非常重要的系统资源，是硬盘和 CPU 的中间仓库及桥梁，承载着操作系统和应用程序的实时运行。JVM 内存布局规定了 Java 在运行过程中内存申请、分配、管理的策略，保证了 JVM 的高效稳定运行。不同的 JVM 对于内存的划分方式和管理机制存在着部分差异。结合 JVM 虚拟机规范，来讨论一下经典的 JVM 内存布局。

Java 虚拟机定义了若干种程序运行期间会使用到的运行时数据区，其中有一些会随着虚拟机启动而创建，随着虚拟机退出而销毁。而另外一些则是与线程一一对应的，这些与线对应的数据区域会随着线程开始和结束而创建和销毁。

JVM 整体架构

JVM 系统线程

线程是一个程序里的运行单元。JVM 允许一个应用有多个线程并行的执行

在 HotSpot 虚拟机里，每个线程都与操作系统的本地线程直接映射。当一个 Java 线程准备好执行以后，此时一个操作系统的本地线程也同时创建。Java 线程执行终止后，本地线程也会回收

操作系统负责所有的线程的安排调度到任何一个可用的 CPU 上。一旦本地线程初始化成功，它就会调用 Java 线程中的人run() 方法

如果你使用 jconsole 或者是任何一个调试工具，都能看到在后台有许多线程在运行。这些后台线程不包括调用 public static void main(String[] args) 的 main 线程以及所有这个 main 线程自己创建的线程。

这些主要的后台系统线程在 HotSpot 虚拟机里主要是以下几个

• 虚拟机线程：这种线程的操作是需要 JVM 达到安全点才会出现。这些操作必须在不同的线程中发生的原因是他们都需要 JVM 达到安全点，这样堆才不会变化。这种线程的执行类型包括“stop-the-world”的垃圾收集，线程栈收集，线程挂起以及偏向锁撤销
• 周期任务线程：这种线程是时间周期事件的体现（比如中断），他们一般用于周期性操作的调度执行
• GC 线程：这种线程对在 JVM 里不同种类的垃圾收集行为提供了支持
• 编译线程：这种线程在运行时会将字节码编译成本地代码
• 信号调度线程：这种线程接收信号并发送给 JVM，在它内部通过调用适当的方法进行处理

JVM 内存结构

• 每个线程只能访问自己的线程栈。
• 每个线程都不能访问（看不见）其他线程的局部变量。
• 所有原生类型的局部变量都存储在线程栈中，因此对其他线程是不可见的。
• 线程可以将一个原生变量值的副本传给另一个线程，但不能共享原生局部变量本身。
• 堆内存中包含了 Java 代码中创建的所有对象，不管是哪个线程创建的。其中也涵盖了包装类型（例如，Byte，Integer，Long等）。
• 不管是创建一个对象并将其值赋值给局部变量，还是赋值给另一个对象的成员变量，创建的对象都会被保存到堆内存中。

---

• 如果是原生数据类型的局部变量，那么它的内容就全部保留在线程栈上。
• 如果是对象引用，则栈中的局部变量槽位中保存着对象的引用地址，而实际的对象内容保存在堆中。
• 对象的成员变量与对象本身一起存储在堆上，不管成员变量的类型是原生数据类型，还是对象引用。
• 类的静态变量则和类定义一样都保存在堆中。

---

• 总结一下：方法中使用的原生数据类型和对象引用地址在栈上存储；对象、对象成员与类定义、静态变量在堆上。
• 堆内存又称为“共享堆”，堆中的所有对象，可以被所有线程访问，只要他们能拿到对象的引用地址。
• 如果一个线程可以访问某个对象时，也就可以访问该对象的成员变量。
• 如果两个线程同时调用某个对象的同一方法，则它们都可以访问到这个对象的成员变量，但每个线程的局部变量副本是独立的。

JVM 内存整体结构

• 每启动一个线程，JVM就会在栈空间栈分配对应的线程栈，比如 1MB 空间（-Xss1m）
• 线程栈也叫做 Java 方法栈。如果使用了 JNI 方法，则会分配一个单独的本地方法栈（Native Stack）
• 线程执行过程中，一般会有多个方法组成调用栈（Stack Trace），比如 A 调用 B，B 调用 C 。每执行到一个方法，就会创建对应的栈帧（Frame）。

JVM 栈内存机构

• 栈帧是一个逻辑上的概念，具体的大小在一个方法编写完成后基本上就能确定。
• 比如返回值，需要有一个空间存放吧，每个局部变量都需要对应的地址空间，此外还有给指令使用的操作数栈，以及 Class 指针（标识这个栈帧对应的是哪个类的方法，指向非堆里面的 Class 对象）。

JVM 堆内存结构

• 堆内存是所有线程共用的内存空间，JVM 将 Heap 内存分为年轻代（Young generation）和老年代（Old generation，也叫 Tenured）两部分。
• 年轻代还划分为3个内存池，伊甸园区（Eden space）和存活区（Survivor space），在大部分GC算法中有两个存活区（S0，S1），在我们可以观察到的任何时刻，S0和S1总有一个是空的，但一般很小，也浪费不了多少空间。
• Non-Heap本质上还是Heap，只是一般不归GC管理，里面划分为3个内存区池。
• Metaspace 以前叫持久代（永久代，Permanent generation），Java 换了个名字叫 Metaspace
• CCS Compressed Class Space，存放 class 信息的，和 Metaspace 有交叉
• Code Cache，存放 JIT 编译器编译后的本地机器代码。

CPU 与内存行为

• CPU 乱序执行
• volatile 关键字
• 原子性操作
• 内存屏障

Java对象模型

Java内存模型

JMM 规范对应的是 JSR-133 Java Memory Model and Thread Specification 《Java 语言规范》 $17.4 Memory Model 章节

JMM 规范明确定义了不同的线程之间通过哪些方式，在什么时候可以看见其他线程保存到共享变量中的值；以及在必要时，如何对共享变量的访问进行同步。这样的好处是屏蔽各种硬件平台的操作系统之间的内存访问差异，实现了Java并发程序真正的跨平台。

• 所有的对象（包括内部的实例成员变量），static 变量，以及数组，都必须存放到堆内存中。
• 局部变量，方法的形参/入参，异常处理语句的入参不允许在线程之间共享，所以不受内存模型的影响。
• 多个线程同时对一个变量访问时【读取/写入】，这时候只要有某个线程执行的是写操作，那么这种现象称之为“冲突”。
• 可以被其他线程影响或感知的操作，称为线程间的交互行为，可分为：读取、写入、同步操作、外部操作等等。其中同步操作包括：对 volatile 变量的读写，对管程（monitor）的锁定与解锁，线程的起始操作与结尾操作，线程启动和结束等等。外部操作则是指对线程执行环境之外的操作，比如停止其他线程等等。
• JMM 规范的是线程间的交互操作，而不管线程内部对局部变量进行的操作。

---

JVM 启动参数

• 以 - 开头为标准参数，所有的 JVM 都要实现这些参数，并且向后兼容。例，-server
• -D 设置系统属性。例，-Dfile.encoding=UTF-8
• 以 -X 开头为非标准参数，基本都是传给 JVM 的，默认 JVM 实现这些参数的功能，但是并不保证所有 JVM 实现都满足，且不保证向后兼容。可以使用 java -X 命令来查看当前 JVM 支持的非标准参数。例，-Xmx8g

• 以 -XX: 开头为非稳定参数，专门用于控制 JVM 的行为，跟具体的 JVM 实现有关，随时可能会在下个版本取消。

  • -XX: +-Flags 形式，+-是对布尔值进行开关。例，-XX:+UseG1GC
  • -XX: key=value 形式，指定某个选项的值。例，-XX:MaxPermSize=256m

1.系统属性参数

-Dfile.encoding=UTF-8
-Duser.timezone=GMT+08
-Dmaven.test.skip=true
-Dio.netty.eventLoopThreads=8

// 还可以这样
System.setProperty("a", "A100");
String a = System.getProperty("a");

2.运行模式参数

• -server: 设置 JVM 使用 server 模式，特点是启动速度比较慢，但运行时性能和内存管理效率很高，适用于生产环境。在具有 64 位能力的 JDK 环境下将默认启用该模式，而忽略 -client 参数。
• -client: JDK1.7 之前在32位的 x86 机器上的默认值是 -client 选项。设置 JVM 使用 client 模式，特点是启动速度比较快，但运行时性能和内存管理效率不高，通常用于客户端应用程序或者 PC 应用开发和调试。此外，我们知道 JVM 加载字节码后，可以解释执行，也可以编译成本地代码再执行，所以可以配置 JVM 对字节码的处理模式。
• -Xint: 在解释模式(interpreted mode)下运行，-Xint 标记会强制 JVM 解释执行所有的字节码，这当然会降低运行速度，通常低10倍或更多。
• -Xcomp: -Xcomp 参数与 -Xint 正好相反，JVM 在第一次使用时会把所有的字节码编译成本地代码，从而带来最大程度的优化。【注意预热】
• -Xmixed: -Xmixed 是混合模式，将解释模式和编译模式进行混合使用，有 JVM 自己决定，这是 JVM 的默认模式，也是推荐模式。 我们使用 java -version 可以看到 mixed mode 等信息。

3.堆内存设置参数

• -Xmx, 指定最大堆内存。 如 -Xmx4g. 这只是限制了 Heap 部分的最大值为4g。这个内存不包括栈内存，也不包括堆外使用的内存。
• -Xms, 指定堆内存空间的初始大小。 如 -Xms4g。 而且指定的内存大小，并不是操作系统实际分配的初始值，而是GC先规划好，用到才分配。专用服务器上需要保持 –Xms 和 –Xmx 一致，否则应用刚启动可能就有好几个 FullGC。 当两者配置不一致时，堆内存扩容可能会导致性能抖动。
• -Xmn, 等价于 -XX:NewSize，使用 G1 垃圾收集器 不应该 设置该选项，在其他的某些业务场景下可以设置。官方建议设置为 -Xmx 的 1/2 ~ 1/4.
• -XX:MaxPermSize=size, 这是 JDK1.7 之前使用的。Java8 默认允许的 Meta空间无限大，此参数无效。
• -XX:MaxMetaspaceSize=size, Java8 默认不限制 Meta 空间, 一般不允许设置该选项。
• -XX:MaxDirectMemorySize=size，系统可以使用的最大堆外内存，这个参数跟 -Dsun.nio.MaxDirectMemorySize 效果相同。
• -Xss, 设置每个线程栈的字节数，影响栈的深度。 例如 -Xss1m 指定线程栈为 1MB，与-XX:ThreadStackSize=1m 等价

1. 如果什么都不配置会如何?
2. Xmx 是否与 Xms 设置相等?
3. Xmx 设置为机器内存的什么比例合适?
4. 作业: 画一下 Xmx、Xms、Xmn、Meta、DirectMemory、Xss 这些内存参数的关系

4.GC设置参数

• -XX:+UseG1GC:使用 G1 垃圾回收器
• -XX:+UseConcMarkSweepGC:使用 CMS 垃圾回收器
• -XX:+UseSerialGC:使用串行垃圾回收器
• -XX:+UseParallelGC:使用并行垃圾回收器
• -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC // Java 11+
• -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseShenandoahGC // Java 12+

各个 JVM 版本的默认 GC 是什么?

5.分析诊断参数

• -XX:+-HeapDumpOnOutOfMemoryError 选项, 当 OutOfMemoryError 产生，即内存溢出(堆内存或持久代)时，自动 Dump 堆内存。

  • 示例用法: java -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -Xmx256m ConsumeHeap

• -XX:HeapDumpPath 选项, 与 HeapDumpOnOutOfMemoryError 搭配使用, 指定内存溢出时 Dump 文件的目 录。如果没有指定则默认为启动 Java 程序的工作目录。

  • 示例用法: java -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=/usr/local/ ConsumeHeap
  • 自动 Dump 的 hprof 文件会存储到 /usr/local/ 目录下

• -XX:OnError 选项, 发生致命错误时(fatal error)执行的脚本。

  • 例如, 写一个脚本来记录出错时间, 执行一些命令, 或者 curl 一下某个在线报警的 url. 示例用法:java -XX:OnError="gdb - %p" MyApp
  • 可以发现有一个 %p 的格式化字符串，表示进程 PID。
• -XX:OnOutOfMemoryError 选项, 抛出 OutOfMemoryError 错误时执行的脚本。
• -XX:ErrorFile=filename 选项, 致命错误的日志文件名,绝对路径或者相对路径。
• -Xdebug -Xrunjdwp:transport=dt_socket,server=y,suspend=n,address=1506，远程调试

6.JavaAgent参数

Agent 是 JVM 中的一项黑科技, 可以通过无侵入方式来做很多事情，比如注入 AOP 代码，执行统计等等，权限非常大。这里简单介绍一下配置选项，详细功能需要专门来讲。

设置 agent 的语法如下:

• -agentlib:libname[=options] 启用 native 方式的 agent, 参考 LD_LIBRARY_PATH 路径。
• -agentpath:pathname[=options] 启用 native 方式的 agent。
• -javaagent:jarpath[=options] 启用外部的 agent 库, 比如 pinpoint.jar 等等。

• -Xnoagent 则是禁用所有 agent。 以下示例开启 CPU 使用时间抽样分析:

  • JAVA_OPTS="-agentlib:hprof=cpu=samples,file=cpu.samples.log"