成为一名合格的 Java 程序员，JVM 是避不开的知识点。

这篇学习笔记的内容来自《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》。

漫谈 JVM

JVM 全称是 Java Virtual Machine，就是说，Java 程序运行在虚拟的环境中，它屏蔽了与各大操作系统的交互难度，所有 Java 程序只对 JVM 负责，不像某些程序，居然要兼容浏览器。所以 Java 程序员是幸福的，不用担心运行效果不一致的问题。

一、发展史

回顾 Java 的历史，了解 JVM 的更新换代，这对我们解决“旧项目”故障，有一定的帮助。

• 1996 年 1 月 23 日，JDK 1.0 发布
  • 提供虚拟机实现（Sun Classic VM）
• 1998 年 12 月 4 日，JDK 1.2 发布
  • HotSpot VM（内置 JIT 编译器）
  • Exact VM（内置 JIT 编译器，Solaris 平台）
• 2009 年 2 月 19 日，JDK 1.7 发布
  • Oracle 收购 Sun，准备合并 JRockit 和 HotSpot 虚拟机

二、结构

JVM 到底是什么，包含哪些部分？

• JVM 本质上就是一个程序，加载并执行字节码中的指令。

• 主要分为五大模块：

  1. 类装载器子系统
  2. 运行时数据区
  3. 执行引擎
  4. 本地方法接口
  5. 垃圾收集模块

三、运行时数据区

通过下面这张图片，我们来了解运行时数据区的状况：

• 程序计数器
  • 线程私有的内存区域，实现基本逻辑功能
  • 执行 Java 方法时，记录的是字节码地址，而本地方法则为 Undefined
  • 虚拟机规范唯一没有规定 OutOfMemoryError 情况
• 虚拟机栈
  • 线程私有，生命周期与线程相同
  • 包含栈帧，由方法执行时创建，栈帧存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息
  • 局部变量表编译期确定内存空间，运行时不会改变大小
  • 栈深度大于允许值，抛出 StackOverFlowError
  • 扩展无法申请到足够的内存，抛出 OutOfMemoryError
• 本地方法栈
  • 与虚拟机栈相似，不同的是，这个栈执行的是本地方法
  • 规范没有强制要求，可以自由实现
  • 例如 Sun HotSpot VM，将本地方法栈与虚拟机栈合二为一
  • 也会抛出 StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError
• 堆
  • 线程共享，虚拟机启动时创建
  • 唯一的功能就是存放对象实例
  • 垃圾收集器管理的主要区域
  • 从内存回收的角度，分为新生代和老年代
  • 可以处于物理上不连续的内存空间
  • 没有内存完成实例分配，并且无法扩展时，抛出 OutOfMemoryError
• 方法区
  • 线程共享，存储已加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据
  • 在 HotSpot VM 上，方法区是作为永久代实现的
  • JDK 1.8 会将方法区改为元空间，放到物理内存上
  • 垃圾回收在方法区收效甚微，主要针对常量池的回收和对类型的卸载，条件比较苛刻
  • 无法满足内存分配需求时，抛出 OutOfMemoryError
• 运行时常量池
  • 是方法区的一部分，在类加载后存放编译生成的各种字面量和符号引用
  • 一般情况下，除了符号引用，还有翻译出来的直接引用也会存储进来
  • 具备动态性，例如 String 类的 intern() 方法，可以在运行期间将新的常量加入
• 直接内存
  • 不是运行时数据区的一部分，也不是 JVM 规范定义的内存区域，但也被频繁使用
  • 由 NIO 使用 Native 函数库直接分配，通过 Java 堆中的 DirectByteBuffer 对象引用
  • 扩展时内存不足，抛出 OutOfMemoryError

3.1 对象访问

简述 Object obj = new Object(); 这条语句将在 JVM 中发生哪些事情？

1. new 关键字需要在堆中申请分配内存空间，得到 Object() 实例的结构化内存
2. 假若 Object 还有父类、接口等信息，那么必须在方法区中能找到它们的信息
3. 从方法区中找到 Object 的全部信息，这是 Java 类级别，实例级别的数据存储在堆中
4. 最后 Object obj 会在当前栈帧的局部变量表中，作为一个 reference 类型指向堆里面的实例地址

有个问题：虚拟机栈中的局部变量如果是 reference 类型，那么它是如何定位到堆中的实例呢？

主流的虚拟机实现有两种方式：

• 句柄
  • 在堆中划分一块内存作为句柄池
  • reference 类型存储的是对象的句柄地址
  • 句柄中包含访问对象实例数据及类型数据的指针
• 指针
  • 堆中的实例数据包含访问对象类型数据的指针
  • reference 类型存储的是对象地址

两种方式的优势：

• 句柄的最大好处是，对象被移动后，只改变句柄中的实例数据指针
• 指针的最大好处是，速度更快，节省了一次指针定位的时间开销

3.2 OutOfMemoryError

除了程序计数器，其他几个运行时数据区都有可能抛出内存溢出（OOM）异常，了解 JVM 就可以很快定位异常的具体位置。

3.2.1 堆溢出（Java heap space）

通常是对象创建过多，由于 GC Roots 到这些对象之间有可达路径，垃圾回收器不会回收这些对象，并且无法向堆申请更多的扩展空间，导致堆内存溢出。

解决办法：通过对堆转储快照（*.dump）进行分析，确认内存中导致溢出的对象是否有必要，相当于分辨到底是内存泄漏还是内存溢出。

• 内存泄漏：通过工具查看泄漏对象到 GC Roots 的引用链，找到那个“多管闲事”的罪魁祸首，定位并“剁掉那只手”
• 内存溢出：说明内存中的对象都有用，那么就看能不能加大堆空间，然后还可以处理溢出对象的生命周期，让大家“排队”而不是“拥挤”

3.2.2 栈溢出

对于栈来说，深度不够和内存不足都是导致抛出堆栈溢出异常的原因，它们俩从根本上是同一个问题，即内存不足导致栈深度不够；栈深度不够是因为内存不足。在单线程中，基本上会抛出 StackOverflowError，而在多线程中，抛出的 OutOfMemoryError 却是由于创建线程时无法申请到足够多的内存。

解决办法：内存不足就去加内存，这是一般人员的做法，有时候要换个思路，每个线程的内存分配过大，可用的线程数就相应变少，无法向系统申请到足够的内存用以创建线程，自然而然就会抛出 OOM 异常，所以就应该减少最大堆设置和栈容量，从而提高可用内存资源给线程使用。

3.3 运行时常量池溢出

String.intern() 方法会创建一个新的常量放入常量池，常量池在方法区中，在 JDK 1.7 版本里，JVM 的方法区设置在 Java 内存模型中，所以如果可用内存不足，则会导致方法区内存溢出，异常提示为：PermGen space。

3.4 方法区溢出

方法区内存储的是类的信息，当加载足够多的类信息，并且可用方法区空间不足，则会抛出方法区溢出异常。

类如果要被垃圾收集器回收，生效的条件非常苛刻，除了 GCLib 字节码增强器会动态生成大量 Class 外，还有 JSP 文件会在第一次运行时被编译成 Java 类，以及基于 OSGi 的应用被不同的加载器加载会视为不同的类。

3.5 直接内存溢出

直接内存默认与 -Xmx 的值保持一致，可以通过 -XX:MaxDirectMemorySize 指定。

总结

了解运行时数据区，就相当于你清楚钱花在哪些地方，一旦手头紧，便可以“节省”一点。

下一篇文章，我们来了解一下垃圾收集模块。