Java（JVM运行时）各种内存区域详解及扩展

本文整理于  Java内存与垃圾回收调优

　　　　　 Java 堆内存

　　　　　 从几个sample来学习Java堆，方法区，Java栈和本地方法栈

首先来一张图让我们理清楚java运行时状态：

诚然，如上图所示：java内存空间包括四部分：

1.Java堆：所有类实例(成员变量)和数组的内存均从此处分配，它是线程共享的，参看Java VisualVM截图

2.Java栈  主要存储基本类型的变量（byte short int long char float double boolean）、对象的引用变量和方法中的局部变量，它是线程独占的

例如 Object o = new Object(); 其中o(Object对象的引用变量o存放于栈中，其值等于Object在堆内存中的首地址值，Object类存放在堆中)

3.本地方法栈：存储本地方法的调用状态，线程独占

4.方法区  主要存储了类型信息，如类、静态变量和常量(包括String常量池)，线程共享

方法区可以简单的等价为所谓的PermGen区域（永久存储区），其实它是永久代（见下面详解）的一部分。

补充：

【运行时数据区访问方式总结】

从开发者角度，虚拟机运行时数据区的访问方式简要归纳如下：

• 活动的线程可以通过对应的栈来访问运行时数据区信息
• 栈是堆访问的入口
• 堆上Java.lang.Class实例是访问PermGen区域中类型信息的入口

1. 一个类型装载之后会创建一个对应的java.lang.Class实例，这个实例本身和普通对象实例一样存储于堆中，我觉得之所以说是这是一种特殊的实例，某种程度上是因为其充当了访问PermGen区域中类型信息的代理者。
2. 图中"Class类型实例"和"类加载器实例"分别是A类型对应的java.lang.Class实例和加载A类型的类加载器实例。
3. 只要是有active的对象实例句柄，就能够访问到对应的Class类型实例和类加载器实例，分别通过Object.getClass()方法和Class.getClassLoader()方法。
4. 只要是有active的Class类型实例句柄，就能够访问到对应的类加载器实例。

以下我们重点看看java堆内存和方法区（永久代PermGen部分）

请先看一张模型图：

从模型图中我们不难看出，java堆内存主要分为新生代（Young Gen）和老年代(Old Memory)

以下是新生代和老年代的内存比例图：

从图中可以看出： 堆大小 = 新生代 + 老年代。其中，堆的大小可以通过参数 –Xms、-Xmx 来指定。
本人使用的是 JDK1.6，以下涉及的 JVM 默认值均以该版本为准。
默认的，新生代 ( Young ) 与老年代 ( Old ) 的比例的值为 1:2 ( 该值可以通过参数 –XX:NewRatio 来指定 )，即：新生代 ( Young ) = 1/3 的堆空间大小。
老年代 ( Old ) = 2/3 的堆空间大小。其中，新生代 ( Young ) 被细分为 Eden 和 两个 Survivor 区域，这两个 Survivor 区域分别被命名为 from 和 to，以示区分。
默认的，Edem : from : to = 8 : 1 : 1 ( 可以通过参数 –XX:SurvivorRatio 来设定 )，即： Eden = 8/10 的新生代空间大小，from = to = 1/10 的新生代空间大小。
JVM 每次只会使用 Eden 和其中的一块 Survivor 区域来为对象服务，所以无论什么时候，总是有一块 Survivor 区域是空闲着的。
因此，新生代实际可用的内存空间为 9/10 ( 即90% )的新生代空间。

1.新生代

新生代又分为三个部分：Eden区和两个Survivor区 So  S1

新生代空间的要点：

•大多数新建的对象都位于Eden区。
•当Eden区被对象填满时，就会执行Minor GC。并把所有存活下来的对象转移到其中一个survivor区。
•Minor GC同样会检查存活下来的对象，并把它们转移到另一个survivor区。这样在一段时间内，总会有一个空的survivor区。
•经过多次GC周期后，仍然存活下来的对象会被转移到老年代内存空间。通常这是在年轻代有资格提升到老年代前通过设定年龄阈值来完成的。

2.老年代

老年代内存里包含了长期存活的对象和经过多次Minor GC后依然存活下来的对象。通常会在老年代内存被占满时进行垃圾回收。
老年代的垃圾收集叫做Major GC。Major GC会花费更多的时间。

3.永久代

永久代或者“Perm Gen”包含了JVM需要的应用元数据，这些元数据描述了在应用里使用的类和方法。注意，永久代不是Java堆内存的一部分。

永久代存放JVM运行时使用的类。永久代同样包含了Java SE库的类和方法。永久代的对象在full GC时进行垃圾收集。

以下为扩展：

4.方法区是永久代空间的一部分，并用来存储类型信息（运行时常量和静态变量）和方法代码和构造函数代码。

5.内存池

如果JVM实现支持，JVM内存管理会为创建内存池，用来为不变对象创建对象池。字符串池就是内存池类型的一个很好的例子。

内存池可以属于堆或者永久代，这取决于JVM内存管理的实现。

6.运行时常量池

运行时常量池是每个类常量池的运行时代表。它包含了类的运行时常量和静态方法。运行时常量池是方法区的一部分。

7.java堆内存开关

VM 开关	VM 开关描述
-Xms	设置JVM启动时堆的初始化大小。
-Xmx	设置堆最大值。
-Xmn	设置年轻代的空间大小，剩下的为老年代的空间大小。
-XX:PermGen	设置永久代内存的初始化大小。
-XX:MaxPermGen	设置永久代的最大值。
-XX:SurvivorRatio	提供Eden区和survivor区的空间比例。比如，如果年轻代的大小为10m并且VM开关是-XX:SurvivorRatio=2，那么将会保留5m内存给Eden区和每个Survivor区分配2.5m内存。默认比例是8。
-XX:NewRatio	提供年老代和年轻代的比例大小。默认值是2。

8.stop the world 事件

所有的垃圾收集都是“Stop the World”事件，因为所有的应用线程都会停下来直到操作完成（所以叫“Stop the World”）。

因为新生代里的对象都是一些临时（short-lived ）对象，执行Minor GC非常快，所以应用不会受到（“Stop the World”）影响。

由于Major GC会检查所有存活的对象，因此会花费更长的时间。应该尽量减少Major GC。因为Major GC会在垃圾回收期间让你的应用反应迟钝，所以如果你有一个需要快速响应的应用发生多次Major GC，你会看到超时错误。

垃圾回收时间取决于垃圾回收策略。这就是为什么有必要去监控垃圾收集和对垃圾收集进行调优。从而避免要求快速响应的应用出现超时错误。

9.java gc描述

Java垃圾回收会找出没用的对象，把它从内存中移除并释放出内存给以后创建的对象使用。Java程序语言中的一个最大优点是自动垃圾回收，不像其他的程序语言那样需要手动分配和释放内存，比如C语言。

垃圾收集器是一个后台运行程序。它管理着内存中的所有对象并找出没被引用的对象。所有的这些未引用的对象都会被删除，回收它们的空间并分配给其他对象。

一个基本的垃圾回收过程涉及三个步骤：

1. 标记：这是第一步。在这一步，垃圾收集器会找出哪些对象正在使用和哪些对象不在使用。
2. 正常清除：垃圾收集器清会除不在使用的对象，回收它们的空间分配给其他对象。
3. 压缩清除：为了提升性能，压缩清除会在删除没用的对象后，把所有存活的对象移到一起。这样可以提高分配新对象的效率。

简单标记和清除方法存在两个问题：

1. 效率很低。因为大多数新建对象都会成为“没用对象”。
2. 经过多次垃圾回收周期的对象很有可能在以后的周期也会存活下来。

上面简单清除方法的问题在于Java垃圾收集的分代回收的，而且在堆内存里有年轻代和年老代两个区域。我已经在上面解释了Minor GC和Major GC是怎样扫描对象，以及如何把对象从一个分代空间移到另外一个分代空间。

10.GC和堆

Java 中的堆也是 GC 收集垃圾的主要区域。GC 分为两种：Minor GC、Major GC ( 或称为 Full GC )。
Minor GC 是发生在新生代中的垃圾收集动作，所采用的是复制算法。
新生代几乎是所有 Java 对象出生的地方，即 Java 对象申请的内存以及存放都是在这个地方。Java 中的大部分对象通常不需长久存活，具有朝生夕灭的性质。
当一个对象被判定为 "死亡" 的时候，GC 就有责任来回收掉这部分对象的内存空间。新生代是 GC 收集垃圾的频繁区域。
当对象在 Eden ( 包括一个 Survivor 区域，这里假设是 from 区域 ) 出生后，在经过一次 Minor GC 后，如果对象还存活，并且能够被另外一块 Survivor 区域所容纳
( 上面已经假设为 from 区域，这里应为 to 区域，即 to 区域有足够的内存空间来存储 Eden 和 from 区域中存活的对象 )，则使用复制算法将这些仍然还存活的对象复制到另外一块 Survivor 区域 ( 即 to 区域 ) 中，然后清理所使用过的 Eden 以及 Survivor 区域 ( 即 from 区域 )，并且将这些对象的年龄设置为1，以后对象在 Survivor 区每熬过一次 Minor GC，就将对象的年龄 + 1，当对象的年龄达到某个值时 ( 默认是 15 岁，可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设定 )，这些对象就会成为老年代。
但这也不是一定的，对于一些较大的对象 ( 即需要分配一块较大的连续内存空间 ) 则是直接进入到老年代。
Major GC 是发生在老年代的垃圾收集动作，所采用的是标记-清除算法。
现实的生活中，老年代的人通常会比新生代的人 "早死"。堆内存中的老年代(Old)不同于这个，老年代里面的对象几乎个个都是在 Survivor 区域中熬过来的，它们是不会那么容易就 "死掉" 了的。因此，Full GC 发生的次数不会有 Minor GC 那么频繁，并且做一次 Full GC 要比进行一次 Minor GC 的时间更长。
另外，标记-清除算法收集垃圾的时候会产生许多的内存碎片 ( 即不连续的内存空间 )，此后需要为较大的对象分配内存空间时，若无法找到足够的连续的内存空间，就会提前触发一次 GC 的收集动作。

11.垃圾回收类型分类：

这里有五种可以在应用里使用的垃圾回收类型。仅需要使用JVM开关就可以在我们的应用里启用垃圾回收策略。让我们一起来逐一了解：

1. Serial GC（-XX:+UseSerialGC）：Serial GC使用简单的标记、清除、压缩方法对年轻代和年老代进行垃圾回收，即Minor GC和Major GC。Serial GC在client模式（客户端模式）很有用，比如在简单的独立应用和CPU配置较低的机器。这个模式对占有内存较少的应用很管用。
2. Parallel GC（-XX:+UseParallelGC）：除了会产生N个线程来进行年轻代的垃圾收集外，Parallel GC和Serial GC几乎一样。这里的N是系统CPU的核数。我们可以使用 -XX:ParallelGCThreads=n 这个JVM选项来控制线程数量。并行垃圾收集器也叫throughput收集器。因为它使用了多CPU加快垃圾回收性能。Parallel GC在进行年老代垃圾收集时使用单线程。
3. Parallel Old GC（-XX:+UseParallelOldGC）：和Parallel GC一样。不同之处，Parallel Old GC在年轻代垃圾收集和年老代垃圾回收时都使用多线程收集。
4. 并发标记清除（CMS）收集器（-XX:+UseConcMarkSweepGC)：CMS收集器也被称为短暂停顿并发收集器。它是对年老代进行垃圾收集的。CMS收集器通过多线程并发进行垃圾回收，尽量减少垃圾收集造成的停顿。CMS收集器对年轻代进行垃圾回收使用的算法和Parallel收集器一样。这个垃圾收集器适用于不能忍受长时间停顿要求快速响应的应用。可使用 -XX:ParallelCMSThreads=n JVM选项来限制CMS收集器的线程数量。
5. G1垃圾收集器（-XX:+UseG1GC) G1（Garbage First）：垃圾收集器是在Java 7后才可以使用的特性，它的长远目标时代替CMS收集器。G1收集器是一个并行的、并发的和增量式压缩短暂停顿的垃圾收集器。G1收集器和其他的收集器运行方式不一样，不区分年轻代和年老代空间。它把堆空间划分为多个大小相等的区域。当进行垃圾收集时，它会优先收集存活对象较少的区域，因此叫“Garbage First”。