jvm 分析

在阅读本篇文章时，至少首先对JVM的概念、工作原理、结构组成，有一定的基础性了解，废话不多说，本文开门见山，直接以工作中比较常见的几种概念：类、类对象、实例对象、静态方法、非静态方法、静态属性、非静态属性等为出发点，直接切入JVM内存的使用及分配，通过这些原理认清Java中的静态方法和静态属性的问题，其次讲JVM的内存堆栈模型，主要描述JVM内存堆栈结构的组成，最后是JVM的内存参数设置，主要描述内存设置，以防止内存溢出。

一、从JVM内存角度认清静态访问、静态属性

在JVM中，内存分为两个部分，Stack（栈）和Heap（堆），这里，我们从JVM的内存管理原理的角度来认识Stack和Heap，并通过这些原理认清Java中静态方法和静态属性的问题。

一般JVM的内存分为两部分：Stack和Heap。

Stack（栈）是JVM的内存指令区。Stack管理很简单，push一定长度字节的数据或者指令，Stack指针压栈相应的字节位移；pop一定字节长度数据或者指令，Stack指针弹栈。Stack的速度很快、管理很简单，并且每次操作的数据或者指令字节长度是已知的。所以Java 基本数据类型，Java 指令代码，常量都保存在Stack中。

Heap（堆）是JVM的内存数据区。Heap 的管理很复杂，每次分配不定长的内存空间，专门用来保存对象的实例。在Heap 中分配一定的内存来保存对象实例，实际上也只是保存对象实例的属性值，属性的类型和对象本身的类型标记等，并不保存对象的方法（方法是指令，保存在Stack中），在Heap 中分配一定的内存保存对象实例和对象的序列化比较类似。而对象实例在Heap 中分配好以后，需要在Stack中保存一个4字节的Heap 内存地址，用来定位该对象实例在Heap 中的位置，便于找到该对象实例。

由于Stack的内存管理是顺序分配的，而且定长，不存在内存回收问题；而Heap 则是随机分配内存，不定长度，存在内存分配和回收的问题；因此在JVM中另有一个GC进程，定期扫描Heap ，它根据Stack中保存的4字节对象地址扫描Heap ，定位Heap 中这些对象，进行一些优化（例如合并空闲内存块什么的），并且假设Heap 中没有扫描到的区域都是空闲的，统统refresh（实际上是把Stack中丢失了对象地址的无用对象清除了），这就是垃圾收集的过程；

 
图为：JVM的体系结构

我们首先要搞清楚的是什么是数据以及什么是指令。然后要搞清楚对象的方法和对象的属性分别保存在哪里。

1）方法本身是指令的操作码部分，保存在Stack中；

2）方法内部变量作为指令的操作数部分，跟在指令的操作码之后，保存在Stack中（实际上是简单类型保存在Stack中，对象类型在Stack中保存地址，在Heap 中保存值）；上述的指令操作码和指令操作数构成了完整的Java 指令。

3）对象实例包括其属性值作为数据，保存在数据区Heap 中。

非静态的对象属性作为对象实例的一部分保存在Heap 中，而对象实例必须通过Stack中保存的地址指针才能访问到。因此能否访问到对象实例以及它的非静态属性值完全取决于能否获得对象实例在Stack中的地址指针。

非静态方法和静态方法的区别：

非静态方法有一个和静态方法很重大的不同：非静态方法有一个隐含的传入参数，该参数是JVM给它的，和我们怎么写代码无关，这个隐含的参数就是对象实例在Stack中的地址指针。因此非静态方法（在Stack中的指令代码）总是可以找到自己的专用数据（在Heap 中的对象属性值）。当然非静态方法也必须获得该隐含参数，因此非静态方法在调用前，必须先new一个对象实例，获得Stack中的地址指针，否则JVM将无法将隐含参数传给非静态方法。

静态方法无此隐含参数，因此也不需要new对象，只要class文件被ClassLoader load进入JVM的Stack，该静态方法即可被调用。当然此时静态方法是存取不到Heap 中的对象属性的。

总结一下该过程：

当一个class文件被ClassLoader load进入JVM后，方法指令保存在Stack中，此时Heap区没有数据。然后程序寄存器开始执行指令，如果是静态方法，直接依次执行指令代码，当然此时指令代码是不能访问Heap 数据区的；如果是非静态方法，由于隐含参数没有值，会报错。因此在非静态方法执行前，要先new对象，在Heap 中分配数据，并把Stack中的地址指针交给非静态方法，这样程序技术器依次执行指令，而指令代码此时能够访问到Heap 数据区了。

静态属性和动态属性：

前面提到对象实例以及动态属性都是保存在Heap 中的，而Heap 必须通过Stack中的地址指针才能够被指令（类的方法）访问到。因此可以推断出：静态属性是保存在Stack中的，而不同于动态属性保存在Heap 中。正因为都是在Stack中，而Stack中指令和数据都是定长的，因此很容易算出偏移量，也因此不管什么指令（类的方法），都可以访问到类的静态属性。也正因为静态属性被保存在Stack中，所以具有了全局属性。

所以，在JVM中，静态属性保存在Stack指令内存区，动态属性保存在Heap数据内存区。

二、JVM的堆栈内存模型

1. Java栈

Java栈是与每一个线程关联的，JVM在创建每一个线程的时候，会分配一定的栈空间给线程。它主要用来存储线程执行过程中的局部变量，方法的返回值，以及方法调用上下文。栈空间随着线程的终止而释放。StackOverflowError：如果在线程执行的过程中，栈空间不够用，那么JVM就会抛出此异常，这种情况一般是死递归造成的。

2. 堆

Java中堆是由所有的线程共享的一块内存区域，堆用来保存各种JAVA对象，比如数组，线程对象等。

2.1 Generation

JVM堆一般又可以分为以下三部分：

◆ Perm 永久区

Perm代主要保存class,method,filed对象，这部门的空间一般不会溢出，除非一次性加载了很多的类，不过在涉及到热部署的应用服务器的时候，有时候会遇到java.lang.OutOfMemoryError : PermGen space 的错误，造成这个错误的很大原因就有可能是每次都重新部署，但是重新部署后，类的class没有被卸载掉，这样就造成了大量的class对象保存在了perm中，这种情况下，一般重新启动应用服务器可以解决问题。

◆ Tenured 年老区

Tenured区主要保存生命周期长的对象，一般是一些老的对象，当一些对象在Young复制转移一定的次数以后，对象就会被转移到Tenured区，一般如果系统中用了application级别的缓存，缓存中的对象往往会被转移到这一区间。

◆ Young 年轻区

Young区被划分为三部分，Eden区和两个大小严格相同的Survivor区，其中Survivor区间中，某一时刻只有其中一个是被使用的，另外一个留做垃圾收集时复制对象用，在Young区间变满的时候，minor GC就会将存活的对象移到空闲的Survivor区间中，根据JVM的策略，在经过几次垃圾收集后，任然存活于Survivor的对象将被移动到Tenured区间。有时候该区经常会遇到java.lang.OutOfMemoryError :Java heap space 的错误。

2.2 Sizing the Generations

JVM提供了相应的参数来对内存大小进行配置。正如上面描述，JVM中堆被分为了3个大的区间，同时JVM也提供了一些选项对Young,Tenured的大小进行控制。

◆ Total Heap

-Xms ：指定了JVM初始启动以后初始化内存

-Xmx：指定JVM堆得最大内存，在JVM启动以后，会分配-Xmx参数指定大小的内存给JVM，但是不一定全部使用，JVM会根据-Xms参数来调节真正用于JVM的内存

-Xmx -Xms之差就是三个Virtual空间的大小

◆ Young Generation

-XX:NewRatio=8意味着tenured 和 young的比值8：1，这样eden+2*survivor=1/9

堆内存

-XX:SurvivorRatio=32意味着eden和一个survivor的比值是32：1，这样一个Survivor就占Young区的1/34.

-Xmn 参数设置了年轻代的大小

◆ Perm Generation

-XX:PermSize=16M -XX:MaxPermSize=64M

Thread Stack

-XX:Xss=128K

3. 堆栈分离的好处

就来说说面向对象的设计吧，当然除了面向对象的设计带来的维护性，复用性和扩展性方面的好处外，我们看看面向对象如何巧妙的利用了堆栈分离。如果从JAVA内存模型的角度去理解面向对象的设计，我们就会发现对它完美的表示了堆和栈，对象的数据放在堆中，而我们编写的那些方法一般都是运行在栈中，因此面向对象的设计是一种非常完美的设计方式，它完美的统一了数据存储和运行。

三、JVM的堆内存参数设置

PermGen space：全称是Permanent Generation space.就是说是永久保存的区域,用于存放Class和Meta信息,Class在被Load的时候被放入该区域Heap space：存放Instance。

GC(Garbage Collection)应该不会对PermGen space进行清理,所以如果你的APP会LOAD很多CLASS的话,就很可能出现PermGen space错误

Java Heap分为3个区

1.Young 
2.Old 
3.Permanent

Young保存刚实例化的对象。当该区被填满时，GC会将对象移到Old区。Permanent区则负责保存反射对象。

JVM的Heap分配可以使用-X参数设定：

-Xms 初始Heap大小 
-Xmx java heap最大值 

-Xmn young generation的heap大小

JVM有2个GC线程

第一个线程负责回收Heap的Young区 
第二个线程在Heap不足时，遍历Heap，将Young 区升级为Older区 
Older区的大小等于-Xmx减去-Xmn，不能将-Xms的值设的过大，因为第二个线程被迫运行会降低JVM的性能。 

为什么一些程序频繁发生GC？有如下原因：

1. 程序内调用了System.gc()或Runtime.gc()。 
2. 一些中间件软件调用自己的GC方法，此时需要设置参数禁止这些GC。 
3. Java的Heap太小，一般默认的Heap值都很小。 
4. 频繁实例化对象，Release对象 此时尽量保存并重用对象，例如使用StringBuffer()和String()。

如果你发现每次GC后，Heap的剩余空间会是总空间的50%，这表示你的Heap处于健康状态,许多Server端的Java程序每次GC后最好能有65%的剩余空间

经验之谈：

1．Server端JVM最好将-Xms和-Xmx设为相同值。为了优化GC，最好让-Xmn值约等于-Xmx的1/3。 
2．一个GUI程序最好是每10到20秒间运行一次GC，每次在半秒之内完成。

注意：

1．增加Heap的大小虽然会降低GC的频率，但也增加了每次GC的时间。并且GC运行时，所有的用户线程将暂停，也就是GC期间，Java应用程序不做任何工作。 
2．Heap大小并不决定进程的内存使用量。进程的内存使用量要大于-Xmx定义的值，因为Java为其他任务分配内存，例如每个线程的Stack等。

Stack的设定 
每个线程都有他自己的Stack。

-Xss ：每个线程的Stack大小

Stack的大小限制着线程的数量。-Xss参数决定Stack大小，例如-Xss1024K。如果Stack太小，也会导致Stack溢漏。

硬件环境

硬件环境也影响GC的效率，例如机器的种类，内存，swap空间，和CPU的数量。如果你的程序需要频繁创建很多transient对象，会导致JVM频繁GC。这种情况你可以增加机器的内存，来减少Swap空间的使用。

4种GC

1、第一种为单线程GC，也是默认的GC，该GC适用于单CPU机器。 
2、第二种为Throughput GC，是多线程的GC，适用于多CPU，使用大量线程的程序。第二种GC与第一种GC相似，不同在于GC在收集Young区是多线程的，但在Old区和第一种一样，仍然采用单线程。-XX:+UseParallelGC参数启动该GC。 
3、第三种为Concurrent Low Pause GC，类似于第一种，适用于多CPU，并要求缩短因GC造成程序停滞的时间。这种GC可以在Old区的回收同时，运行应用程序。-XX:+UseConcMarkSweepGC参数启动该GC。 
4、第四种为Incremental Low Pause GC，适用于要求缩短因GC造成程序停滞的时间。这种GC可以在Young区回收的同时，回收一部分Old区对象。-Xincgc参数启动该GC。

单文件的JVM内存进行设置

默认的java虚拟机的大小比较小，在对大数据进行处理时java就会报错：java.lang.OutOfMemoryError。设置jvm内存的方法，对于单独的.class，可以用下面的方法对Test运行时的jvm内存进行设置： 
java -Xms64m -Xmx256m Test 
-Xms是设置内存初始化的大小 
-Xmx是设置最大能够使用内存的大小（最好不要超过物理内存大小）

Tomcat启动jvm内存设置

Linux：

在/usr/local/apache-tomcat-5.5.23/bin目录下的catalina.sh添加：JAVA_OPTS='-Xms512m -Xmx1024m'要加“m”说明是MB，否则就是KB了，在启动tomcat时会报内存不足。 
-Xms：初始值 
-Xmx：最大值 
-Xmn：最小值Windows 
在catalina.bat最前面加入 
set JAVA_OPTS=-Xms128m -Xmx350m 如果用startup.bat启动tomcat,OK设置生效.够成功的分配200M内存.但是如果不是执行startup.bat启动tomcat而是利用windows的系统服务启动tomcat服务,上面的设置就不生效了,就是说set JAVA_OPTS=-Xms128m -Xmx350m 没起作用.上面分配200M内存就OOM了..windows服务执行的是bin\tomcat.exe.他读取注册表中的值,而不是catalina.bat的设置.解决办法:

修改注册表HKEY_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE\Apache Software Foundation\Tomcat Service Manager\Tomcat5\Parameters\JavaOptions

原值为

-Dcatalina.home="C:\ApacheGroup\Tomcat 5.0" 
-Djava.endorsed.dirs="C:\ApacheGroup\Tomcat 5.0\common\endorsed" 
-Xrs加入 -Xms300m -Xmx350m

重起tomcat服务,设置生效

weblogic

在weblogic中，可以在startweblogic.cmd中对每个domain虚拟内存的大小进行设置，默认的设置是在commEnv.cmd里面。

JBoss

默认可以使用的内存为64MB 
$JBOSSDIR$/bin/run.config 
JAVA_OPTS = "-server -Xms128 -Xmx512"

Eclipse

在所在目录下，键入 
eclipse.exe -vmargs -Xms256m -Xmx512m 
256m表示JVM堆内存最小值 
512m表示JVM堆内存最大

Websphere

进入控制台去设置：应用程序服务器 > server1 > 进程定义 > Java 虚拟机