JVM原理_内存篇

 

本文将以开发者角度对JVM相关工作原理进行介绍，我会持续更新，如果大家发现不对的地方，渴望能不吝赐教 。

 

 

一、JVM简介

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写,Java语言使用模式Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息,使得Java语言编译程序只需生成在Java 虚拟机上运行的目标代码(字节码),就可以在多种平台上不加修改地运行。Java虚拟机在执行字节码时,把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。JVM 也有自己的相关规范，使得第三方可以开发出自己的JVM，比如IBMJVM，MSJVM，HOTSPOT JVM（SUN）。本文是参考HOTSPOT JVM进行介绍。

 

二、JVM内存结构

JVM内存框架图

 

 

 

 

注： 上图的序号是从左向右进行标记，序号顺序不代表逻辑关系

 

下面我们将按逻辑关系进行介绍

 

1 JVM Process Heap

32位OS：最多约2GB

64位OS：更多。

 

 

 

2 Java Object Heap(JAVA Heap)

通常被称为 JVM  heap ，容易和 JVM process Heap混淆，它是用来存储java OBject的如：

Object的实例和 Object的基本数据及引用。

 

-XX:MinHeapFreeRatio=
Default is 40 (40%)
-XX:MaxHeapFreeRatio=
Default 70%

 

JVM初始分配的内存由-Xms指定，默认是物理内存的1/64；JVM最大分配的内存由-Xmx指定，默认是物理内存的1/4。默认空余堆内存小 于40%时，JVM就会增大堆直到-Xmx的最大限制；空余堆内存大于70%时，JVM会减少堆直到-Xms的最小限制。因此服务器一般设置-Xms、 -Xmx相等以避免在每次GC后调整堆的大小。

 

 

 

3、Young Generation

所有新创建的Object 都将会存储在这里。

配置方式 ：

-Xmn – not preferred (fixed value)
-XX:NewRatio=<value> - preferred
(dynamic)

官方推荐的配置是新生代(Young Generation)占整个Java Object Heap内存的33%

4、Eden Space

新的Object总是创建在Eden Space。

 

5、Old Generation

 

如果Young Generation的数据在一次或多次GC后存活下来，那么将被转移到 OldGeneration。

 

6、 Survivor Spaces

 

GC时，Eden中活的对象复制到surivivor spaces ，当对象达到最打值（老化）时，被送到Old Generation

10、Tenured Space

5MB min 44MB max (default)

 

这就是传说中的老年代，官方给的解释就是:

pool containing objects that have existed for some time in the survivor space.

 

 

11、Everything else

这其实就是我们常常见到的 no-heap

 

 

12、Permanent Space

4MB initial , 63MB max

存储class的函数及其他的meta Data.

配置方式：

-XX:PermSize=<value> (initial)
-XX:MaxPermSize=<value> (max)

 

13、Code Generation

转换byte code 为 native code.

基本不会导致内存异常。

如果该操作没有足够的空间，JVM可能会导致崩溃。

 

 

14、Socket Buffers

包括两部分：1：Receive buffer ~37k   2:Send buffer ~25k

需要在JAVA代码中来控制他，所以在外部无法配置。

 

他可能导致的异常：IOException: Too many open files (for
example)

 

 

15、 Threaded JVM Stacks

 

jvm stacks:

 

jvm stack: frame data 、 operand stack ...

 

 

Thread Stacks:

表示各个Thread所分配的空间。

默认至取决于 OS/JVM

线程数增加，Thread Stacks则增大。

配置： –Xss

 

异常：java.lang.OutOfMemoryError:
unable to create new native thread

如果-Xss配置的太小，会引起
java.lang.StackOverflowError

 

16、Direct Memory Space

他可以让开发人员映射内存到java Object Heap外。

配置: XX:MaxDirectMemorySize=<value>

 

 

17、JNI Code 、

JNI code本身使用的内存非常小。

 

19、JNI allocate memory

JNI 程序本身也需要分配内存。

 

 

18、Garbage Collection

其实GC也是需要内存的，gc线程的消耗以及存放GC所缓存的信息。

 

这里简单介绍下GC的历史：

GC始于 1959 – LISP语言

他的初衷：

1、 自动内存清理

2、 让开发变得简单

3、 让debug更方便

 

Gc的过程

1、锁(Lock it down)

所有对象在GC时会被锁定，以保证他们不会变化。

2、标记(Mark)

遍历所有对象，标记 不可到达阶段的对象(unreachable)为 垃圾（需要回收）

3、清理（Sweep）

删除所有被标记对象

清理内存

 

GC在早及的JAVA版本中的问题

1、GC不能很好的协调。

2、只有一个算法。

3、标记(Mark)、清理(Sweep)需要扫描整个Heap，需要花费很久的时间。当然该时间取决与堆的大小。所以人们发明了永久性空间(Permanent Space)

 

 

GC工作原理:

Eden——所有新创建的对象都被放置在这里。

Survivor——当Eden区空间不足时，会将其中依旧存活的对象拷贝到两块Survivor区域（FromSpace和                     ToSpace）中的一个，如果此时这个Survivor区域也空间不足，则将该块区域中存活的对象拷贝到另一块区域中。           注意，总有一个Survivor区域是空的。

对Young Generation的垃圾回收叫minor GC，通常很多的对象都活不过一次GC。

 

Old Generation——但一个Survivor区域满了的时候，会将该区域中已经历一定次数GC而依旧存活的对象放到Old Generation中。如果Old Generation也满了，那就要Full GC了。Full GC很耗性能，当Full GC进行时，应用程序会暂停。由于大部分对象都活不过一次GC，所以如果服务器上频繁的发生Full GC，就要关注下是不是出问题了。

 

 

三、引起的异常

 

 

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
原因：Heap内存溢出，意味着Young和Old generation的内存不够。
解决：调整java启动参数 -Xms -Xmx 来增加Heap内存。

java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread
原因：Stack空间不足以创建额外的线程，要么是创建的线程过多，要么是Stack空间确实小了。
解决：由于JVM没有提供参数设置总的stack空间大小，但可以设置单个线程栈的大小；而系统的用户空间一共是3G，除了Text/Data/BSS /MemoryMapping几个段之外，Heap和Stack空间的总量有限，是此消彼长的。因此遇到这个错误，可以通过两个途径解决：1.通过 -Xss启动参数减少单个线程栈大小，这样便能开更多线程（当然不能太小，太小会出现StackOverflowError）；2.通过-Xms -Xmx 两参数减少Heap大小，将内存让给Stack（前提是保证Heap空间够用）。

java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
原因：Permanent Generation空间不足，不能加载额外的类。
解决：调整-XX:PermSize= -XX:MaxPermSize= 两个参数来增大PermGen内存。一般情况下，这两个参数不要手动设置，只要设置-Xmx足够大即可，JVM会自行选择合适的PermGen大小。

java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit
原因：这个错误比较少见（试着new一个长度1亿的数组看看），同样是由于Heap空间不足。如果需要new一个如此之大的数组，程序逻辑多半是不合理的。
解决：修改程序逻辑吧。或者也可以通过-Xmx来增大堆内存。

在GC花费了大量时间，却仅回收了少量内存时，也会报出OutOfMemoryError ，我只遇到过一两次。当使用-XX:+UseParallelGC或-XX:+UseConcMarkSweepGC收集器时，在上述情况下会报错，在HotSpot GC Turning文档 上有说明：
The parallel(concurrent) collector will throw an OutOfMemoryError if too much time is being spent in garbage collection: if more than 98% of the total time is spent in garbage collection and less than 2% of the heap is recovered, an OutOfMemoryError will be thrown.
对这个问题，一是需要进行GC turning，二是需要优化程序逻辑。

java.lang.StackOverflowError
原因：这也内存溢出错误的一种，即线程栈的溢出，要么是方法调用层次过多（比如存在无限递归调用），要么是线程栈太小。
解决：优化程序设计，减少方法调用层次；调整-Xss参数增加线程栈大小。

IOException: Too many open files

原因： 这个是由于TCP connections 的buffer 大小不够用了。

 

java.lang.OutOfMemoryError:Direct buffer memory

 

解决：调整 -XX:MaxDirectMemorySize=<value>

 

 

 

 

 

 

 

参考文献：

http://download.oracle.com/javase/1.5.0/docs/guide/management/jconsole.html

http://cs.nyu.edu/courses/fall02/V22.0201-001/jvm5.html

http://hi.baidu.com/liwei_8/blog/item/b8e6bfdbd445967cd1164e64.html

http://blog.csdn.net/peart_boy/article/details/1313413

 

评论

1 楼 youngJiang 2011-08-08  

讲的太简单了