JVM 调优篇2 jvm的内存结构以及堆栈参数设置与查看

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一 jvm的内存模型

2.1 jvm内存模型概览

2.2 pc计数器

它是一块很小的内存空间，集合可以忽略不记，也是运行速度最快的存储区域。不会随着程序的运行需要更大的空间。

在jvm规范中，每个线程都有它自己的程序计数器，是线程私有的，生命周期与线程生命周期保持一致。

它是唯一一个在java虚拟机规范中没有规定任务outofmemoryError 情况的区域。

2.3 线程栈

2.3.1 概述特点

Java 虚拟机规范允许Java栈的大小是动态的或者是固定不变的。

如果采用固定大小的Java虚拟机栈，那每一个线程的Java虚拟机栈容量可以在线程创建的时候独立选定。如果线程请求分配的栈容量超过Java虚拟机栈允许的最大容量，Java虚拟机将会抛出一个StackOverflowError异常。

如果Java虚拟机栈可以动态扩展，并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存，或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈，那Java虚拟机将会抛出—个OutOfMemoryError异常。

栈中不存在GC,但存在OOM

2.3.2 栈帧包含的信息

栈帧包含信息：

1)局部变量: 由于局部变量表是建立在线程的栈上，是线程的私有数据，因此不存在数据线程安全问题。

当一个实例方法被调用的时候，它的方法参数和方法体内部定义的局部变量，将会按照顺序被复制到局部变量表中的每一个slot上。

2)操作数据栈

操作数栈，主要用于保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间。

如果被调用的方法带有返回值的话，其返回值将会被压入当前栈帧的操作数栈中，并更新PC寄存器中下一条需要执行的字节码指令。

3)动态链接

指向运行期中常量池该方法的引用，常量池的作用，就是为了提供一些符号和常量，便于指令的识别。

4)方法出口等信息

无论通过哪种方式退出，在方法退出后都返回到该方法被调用的位置。方法正常退出时，调用者的pc计数器的值作为返回地址，即调用该方法的指令的下一条指令的地址。而通过异常退出的，返回地址是要通过异常表来确定，栈帧中一般不会保存这部分信息。

2.3.3 发生栈溢出的情况*

1.局部数据过大，当函数内部的数组过大时，有坑导致堆栈溢出。

2.递归调用层次太多，递归函数在运行时会执行压栈操作，当压栈次数太多时，也会导致堆栈溢出。

2.3.4 设置栈内存大小*

#设置栈内存大小：-Xss size (即： -XX：ThreadStackSize)

2.3.5 方法和栈帧之间的关系

在线程上正在执行的每个方法都各自对一个栈帧。栈帧是一个内存区块，是一个数据集，维系着方法执行过程中的各种数据信息。

2.4 本地方法栈

java虚拟机栈用于管理Java方法的调用，而本地方法栈用于管理本地方法的调用。

2.5 java堆

2.5.1.jdk7的结构

2.5.2.jdk8的结构

2.5.3  java中栈与堆关系

1.代码

public class SimpleHeap { private int id; public SimpleHeap(int id) { this.id = id; } public void show() { System.out.println("My ID is " + id); } public static void main(String[] args) { SimpleHeap sl = new SimpleHeap(1); SimpleHeap s2 = new SimpleHeap(2); } }

2.关系

2.5.4 如何设置堆大小

Java堆区用于存储Java对象实例，那么堆的大小在JVM启动时就已经设定好了，大家可以通过选项”-Xmx”和”-Xms”来进行设置。

“-Xms”用于表示堆区的起始内存，等价于-XX:InitialHeapSize

“-Xmx”则用于表示堆区的最大内存，等价于-XX:MaxHeapSize

1)通常会将-Xms 和-Xmx两个参数配置相同的值，其目的是为了能够在java垃圾回收机制清理完堆区后不需要重新分隔计算堆区的大小，从而提高性能。

2)heap默认最大值计算方式：如果物理内存少于192M,那么heap最大值为物理内存的一半。如果物理内存大于等于1G，那么heap的最大值为物理内存的1/4。

3)heap默认最小值计算方式：最少不得少于8M，如果物理内存大于等于1G，那么默认值为物理内存的1/64，即1024/64=16M。最小堆内存在jvm启动的时候就会被初始化。

2.5.5  堆中年轻代与老年代

存储在JVM中的Java对象可以被划分为两类：

一类是生命周期较短的瞬时对象，这类对象的创建和消亡都非常迅速

另外一类对象的生命周期却非常长，在某些极端的情况下还能够与JVM的生命周期保持一致。Java堆区进一步细分的话，可以划分为年轻代（YoungGen）和老年代(OldGen)。

几乎所有的Java对象都是在Eden区被new出来的。绝大部分的Java对象的销毁都在年轻代进行了。

2.5.6 对象的GC过程

关于垃圾回收总流程：

1)频繁在新生区收集

2)很少在养老区收集

3)几乎不在永久区/元空间收集

几乎所有的Java对象都是在Eden区被new出来的。绝大部分的Java对象的销毁都在年轻代进行。

在新生代中，使用“停止-复制”算法进行清理，将新生代内存分为2部分，1部分 Eden区较大，1部分Survivor比较小，并被划分为两个等量的部分，survivorFrom和survivorTo；

当年轻代的Eden区装满时，就会触发Minor GC(Survivor满不会引发GC)。每次清理时：

首先，将Eden区和survivorFrom还存活的对象复制到survivorTo中，

如果survivoerTo中没有空间了，则直接复制到老年代；

如果survivorTo有空间，同时把这些对象的年龄+1；如果有对象的年龄以及达到了老年的标准，一般是15，则复制到老年代。

然后，清理Eden区和刚才survivorFrom中的gc对象；

最后，根据谁空谁做to区，Survivor To和Survivor From互换(原来的survivor From 现在为空，变为survivor To；原来的survivor To现在非空，变为survivor From)，按此流程以此类推。 

2.5.7 TLAB

从内存模型而不是垃圾收集的角度，对Eden区域继续进行划分，JVM为每个线程分配了一个私有缓存区域，它包含在Eden空间内。

2.6 方法区

2.6.1 作用

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域。

方法区在JVM启动的时候被创建，并且它的实际的物理内存空间中和Java堆区一样都可以是不连续的。

方法区的大小决定了系统可以保存多少个类，如果系统定义了太多的类，导致方法区溢出，虚拟机同样会抛出内存溢出错误：java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space或者java.lang.OutOfMemoryError:Metaspace。

总结： 它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等。加载类的信息都在方法区。

2.6.2 方法区存储内容

1)类信息：

JVM必须在方法区中存储以下类型信息： 

① 这个类型的完整有效名称（全名=包名.类名）

② 这个类型直接父类的完整有效名(对于interface或是java.lang.Object，都没有父类) 

③ 这个类型的修饰符(public,abstract, final的某个子集) 

④ 这个类型直接接口的一个有序列表 

2)域信息：

JVM必须在方法区中保存类型的所有域的相关信息以及域的声明顺序。

域的相关信息包括： 域名称、域类型、域修饰符(public, private, protected, static, final, volatile, transient的某个子集)

方法信息：

JVM必须保存所有方法的以下信息，同域信息一样包括声明顺序 ：

3)方法名称 

方法的返回类型(或void)

方法参数的数量和类型(按顺序)

方法的修饰符(public, private, protected, static, final, synchronized, native, abstract的一个子集)

方法的字节码(bytecodes)、操作数栈、局部变量表及大小 （abstract和native方法除外）

异常表（abstract和native方法除外）

每个异常处理的开始位置、结束位置、代码处理在程序计数器中的偏移地址、被捕获的异常类的常量池索引

4)类变量：

静态变量和类关联在一起，随着类的加载而加载,它们成为类数据在逻辑上的一部分。

类变量被类的所有实例共享，即使没有类实例时你也可以访问它。

5)全局常量：static final，每个全局常量在编译的时候就会被分配了。

 2.6.3 方法区大小设置

jdk7及以前：

通过-XX:PermSize来设置永久代初始分配空间。默认值是20.75M

-XX:MaxPermSize来设定永久代最大可分配空间。32位机器默认是64M，64位机器模式是82M

当JVM加载的类信息容量超过了这个值，会报异常OutOfMemoryError:PermGen space 。

jdk8及以后：

元数据区大小可以使用参数-XX:MetaspaceSize和-XX:MaxMetaspaceSize指定,替代上述原有的两个参数。

默认值依赖于平台。windows下，-XX:MetaspaceSize是21M，-XX:MaxMetaspaceSize 的值是-1，即没有限制。

与永久代不同，如果不指定大小，默认情况下，虚拟机会耗尽所有的可用系统内存。如果元数据区发生溢出，虚拟机一样会抛出异常OutOfMemoryError: Metaspace。

 2.6.4 方法区存储内容

jdk1.7：有永久代，但已经逐步“去永久代”，字符串常量池、静态变量移除，保存在堆中

jdk1.8及之后：无永久代，类型信息、字段、方法、常量保存在本地内存的元空间，但字符串常量池仍在堆。

 2.7 运行时常量池

2.7.1 常量池作用

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。

常量池表（Constant Pool Table）是Class文件的一部分，用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

运行时常量池，在加载类和接口到虚拟机后，就会创建对应的运行时常量池。

常量池，可以看做是一张表，虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量等类型。

包含：

数量值

字符串值

类引用

字段引用

方法引用

2.7.2 方法区与永久代

元空间和永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制。

2.7.3 String常量池*

1.通过字面量的方式（区别于new）给一个字符串赋值，此时的字符串值声明在字符串常量池中。

2.字符串常量池中是不会存储相同内容的字符串的。

String s1 = “abc”;//字面量的定义方式

3.String常量池的位置：

Java 6及以前，字符串常量池存放在永久代。

Java 7 中 Oracle 的工程师对字符串池的逻辑做了很大的改变，即将字符串常量池的位置调整到Java堆内。

Java 8 中，字符串常量仍然在堆。

4.String的实例化方式：

方式一：通过字面量定义的方式

方式二：通过new + 构造器的方式

5.面试题：String s = new String(“abc”);方式创建对象，在内存中创建了几个对象？

 两个:一个是堆空间中new结构，另一个是char[]对应的常量池中的数据：”abc”

6.<clinit> 是类初始化时执行的方法， 而<init> 是对象初始化时执行的方法。

2.8 直接内存

直接内存是在Java堆外的、直接向系统申请的内存区间。

通常，访问直接内存的速度会优于Java堆。即读写性能高。

Java的NIO库允许Java程序使用直接内存，用于数据缓冲区

由于直接内存在Java堆外，因此它的大小不会直接受限于-Xmx指定的最大堆大小，但是系统内存是有限的，Java堆和直接内存的总和依然受限于操作系统能给出的最大内存。

如果不指定MaxDirectMemorySize，则默认与java堆最大值（-Xmx指定）一致。

二  实操案例

2.1 堆默认值以及设置规则

2.1.1 默认值

默认-XX:NewRatio=2，表示新生代占1，老年代占2，新生代占整个堆的1/3

可以修改-XX:NewRatio=4，表示新生代占1，老年代占4，新生代占整个堆的1/5

在HotSpot中，Eden空间和另外两个Survivor空间缺省所占的比例是8:1:1

当然开发人员可以通过选项“-XX:SurvivorRatio”调整这个空间比例。比如-XX:SurvivorRatio=8

2.1.2 设置命令以及查看

案例1：堆空间大小的设置： 

-Xms:初始内存 （默认为物理内存的1/64）；

-Xmx:最大内存（默认为物理内存的1/4）；

具体查看某个参数的指令：

jps：查看当前运行中的进程

jinfo -flag SurvivorRatio 进程id

2.1.3 设置api

常见API设置:

2.2 设置和查看栈大小

1.代码

/ * 演示栈中的异常:StackOverflowError * * @author shkstart * @create 2020 下午 9:08 * * 设置栈的大小： -Xss (-XX:ThreadStackSize) * * -XX:+PrintFlagsFinal */ public class StackErrorTest { private static int count = 1; public static void main(String[] args) { try { Thread.sleep(10000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } try { count++; main(args); }catch (Throwable e){ System.out.println("递归的次数为：" + count); } } }

2.设置

3.查看： jinfo -flag    ThreadStackSize pid

2.3 查堆中老年代大小

1.代码

package com.ljf.jvm.optimise.staick; / * 1. 设置堆空间大小的参数 * -Xms 用来设置堆空间（年轻代+老年代）的初始内存大小 * -X 是jvm的运行参数 * ms 是memory start * -Xmx 用来设置堆空间（年轻代+老年代）的最大内存大小 * * 2. 默认堆空间的大小 * 初始内存大小：物理电脑内存大小 / 64 * 最大内存大小：物理电脑内存大小 / 4 * 3. 手动设置：-Xms600m -Xmx600m * 开发中建议将初始堆内存和最大的堆内存设置成相同的值。 * * 4. -XX:+PrintFlagsFinal * * @create 2021 20:15 */ public class HeapSpaceInitial { public static void main(String[] args) { //返回Java虚拟机中的堆内存总量 long initialMemory = Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024 / 1024; //返回Java虚拟机试图使用的最大堆内存量 long maxMemory = Runtime.getRuntime().maxMemory() / 1024 / 1024; System.out.println("-Xms : " + initialMemory + "M"); System.out.println("-Xmx : " + maxMemory + "M"); // System.out.println("系统内存大小为：" + initialMemory * 64.0 / 1024 + "G"); // System.out.println("系统内存大小为：" + maxMemory * 4.0 / 1024 + "G"); try { Thread.sleep(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } 

2.查看

2.4 设置堆大小和日志输出

1.代码

/ 测试：大对象直接进入老年代 * -Xms60m -Xmx60m -XX:NewRatio=2 -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+PrintGCDetails * @create 2021 21:48 */ public class YoungOldAreaTest { public static void main(String[] args) { byte[] buffer = new byte[1024 * 1024 * 20];//20m } } 

2.进行设置：    -Xms60m -Xmx60m -XX:NewRatio=2 -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+PrintGCDetails

3.输出日志

2.5 设置元空间的大小与日志输出

1.代码

package com.atguigu.methodarea; / * 结论： * 静态引用对应的对象实体始终都存在堆空间 * * jdk7： * -Xms300m -Xmx300m -XX:PermSize=300m -XX:MaxPermSize=300m -XX:+PrintGCDetails * jdk 8： * -Xms300m -Xmx300m -XX:MetaspaceSize=300m -XX:MaxMetaspaceSize=300m -XX:+PrintGCDetails * @author shkstart  * @create 2020 21:20 */ public class StaticFieldTest { private static byte[] arr = new byte[1024 * 1024 * 100];//100MB -> 200+MB public static void main(String[] args) { System.out.println(StaticFieldTest.arr); // try { // Thread.sleep(); // } catch (InterruptedException e) { // e.printStackTrace(); // } } } 

2.设置：

 -Xms300m -Xmx300m -XX:MetaspaceSize=300m -XX:MaxMetaspaceSize=300m -XX:+PrintGCDetails

3.查看

2.6 设置堆中年轻代和日志输出

1.代码

/ * -Xms600m -Xmx600m -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+PrintGCDetails * @create 2020 17:51 */ public class HeapInstanceTest { byte[] buffer = new byte[new Random().nextInt(1024 * 200)]; public static void main(String[] args) { ArrayList<HeapInstanceTest> list = new ArrayList<HeapInstanceTest>(); while (true) { list.add(new HeapInstanceTest()); try { Thread.sleep(10); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } }

2.设置：  -Xms600m -Xmx600m -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+PrintGCDetails

3.日志输出