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JDK1.8 JVM运行时数据区域划分方式

作者：bruce128

JDK1.8 JVM运行时内存区域划分：元数据区替代永久代,堆空间分年轻代（Eden+Survivor）和老年代,字符串常量池移至堆,直接内存通过NIO实现堆外分配,支持通过jcmd工具观察内存占用情况

一、JDK1.8 JVM运行时数据区域概览

这里介绍的是JDK1.8 JVM运行时内存数据区域划分。1.8同1.7比，最大的差别就是：元数据区取代了永久代。

元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元数据空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。

二、各区域介绍

1. 程序计数器

每个线程一块，指向当前线程正在执行的字节码代码的行号。

如果当前线程执行的是native方法，则其值为null。

2. Java虚拟机栈

线程私有，每个线程对应一个Java虚拟机栈，其生命周期与线程同进同退。

每个Java方法在被调用的时候都会创建一个栈帧，并入栈。一旦完成调用，则出栈。所有的的栈帧都出栈后，线程也就完成了使命。

3. 本地方法栈

功能与Java虚拟机栈十分相同。

区别在于，本地方法栈为虚拟机使用到的native方法服务。不多说。

4. 堆

堆是JVM内存占用最大，管理最复杂的一个区域。

其唯一的用途就是存放对象实例：几乎所有的对象实例及数组都在对上进行分配。

1.7后，字符串常量池从永久代中剥离出来，存放在堆中。

堆有自己进一步的内存分块划分，按照GC分代收集角度的划分请参见上图。

4.1 堆空间内存分配（默认情况下）

老年代 ： 三分之二的堆空间

年轻代 ： 三分之一的堆空间

命令行上执行如下命令，查看所有默认的jvm参数

java -XX:+PrintFlagsFinal -version

输出

输出有大几百行，这里只取其中的两个有关联的参数

[Global flags]
    uintx InitialSurvivorRatio                      = 8                                   {product}
    uintx NewRatio                                  = 2                                   {product}
    ... ...
java version "1.8.0_91"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_91-b14)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.91-b14, mixed mode)

参数解释

参数作用
-XX:InitialSurvivorRatio新生代Eden/Survivor空间的初始比例
-XX:NewratioOld区 和 Yong区 的内存比例

一道推算题

默认参数下，如果仅给出eden区40M，求堆空间总大小

根据比例可以推算出，两个survivor区各5M，年轻代50M。老年代是年轻代的两倍，即100M。那么堆总大小就是150M。

4.2 字符串常量池

JDK1.7 就开始“去永久代”的工作了。 1.7把字符串常量池从永久代中剥离出来，存放在堆空间中。

a. jvm参数配置

-XX:MaxPermSize=10m
-XX:PermSize=10m
-Xms100m
-Xmx100m
-XX:-UseGCOverheadLimit

b. 测试代码

public class StringOomMock {
	
	public static void main(String[] args) {
		try {
			List<String> list = new ArrayList<String>();
			for (int i = 0; ; i++) {
				System.out.println(i);
				list.add(String.valueOf("String" + i++).intern());
			}
		} catch (java.lang.Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
}

c. jdk1.6 下的运行结果

jdk1.6 环境下是永久代OOM

153658
153660
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
	at java.lang.String.intern(Native Method)
	at com.jd.im.StringOomMock.main(StringOomMock.java:17)

d. jdk1.7 下的运行结果

jdk1.7 下是堆OOM，并且伴随着频繁的FullGC， CPU一直高位运行

2252792
2252794
2252796
2252798
*** java.lang.instrument ASSERTION FAILED ***: "!errorOutstanding" with message can't create name string at ../../../src/share/instrument/JPLISAgent.c line: 807
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at java.nio.CharBuffer.wrap(CharBuffer.java:369)
	at sun.nio.cs.StreamEncoder.implWrite(StreamEncoder.java:265)
	at sun.nio.cs.StreamEncoder.write(StreamEncoder.java:125)
	at java.io.OutputStreamWriter.write(OutputStreamWriter.java:207)
	at java.io.BufferedWriter.flushBuffer(BufferedWriter.java:129)
	at java.io.PrintStream.write(PrintStream.java:526)
	at java.io.PrintStream.print(PrintStream.java:597)
	at java.io.PrintStream.println(PrintStream.java:736)
	at com.jd.im.StringOomMock.main(StringOomMock.java:16)

e. jdk1.8 下的运行结果

jdk1.8的运行结果同1.7的一样，都是堆空间OOM。

2236898
2236900
2236902
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at java.lang.Integer.toString(Integer.java:403)
	at java.lang.String.valueOf(String.java:3099)
	at java.io.PrintStream.print(PrintStream.java:597)
	at java.io.PrintStream.println(PrintStream.java:736)
	at com.jd.im.StringOomMock.main(StringOomMock.java:16)

5. 元数据区

元数据区取代了1.7版本及以前的永久代。元数据区和永久代本质上都是方法区的实现。方法区存放虚拟机加载的类信息，静态变量，常量等数据。

元数据区OOM测试：

a. jvm参数配置

-XX:MetaspaceSize=8m 
-XX:MaxMetaspaceSize=50m

b. 测试代码

借助cglib框架生成新类。

public class MetaSpaceOomMock {
	
	public static void main(String[] args) {
		ClassLoadingMXBean loadingBean = ManagementFactory.getClassLoadingMXBean();
		while (true) {
			Enhancer enhancer = new Enhancer();
			enhancer.setSuperclass(MetaSpaceOomMock.class);
			enhancer.setCallbackTypes(new Class[]{Dispatcher.class, MethodInterceptor.class});
			enhancer.setCallbackFilter(new CallbackFilter() {
				@Override
				public int accept(Method method) {
					return 1;
				}
				
				@Override
				public boolean equals(Object obj) {
					return super.equals(obj);
				}
			});
			
			Class clazz = enhancer.createClass();
			System.out.println(clazz.getName());
			//显示数量信息（共加载过的类型数目，当前还有效的类型数目，已经被卸载的类型数目）
			System.out.println("total: " + loadingBean.getTotalLoadedClassCount());
			System.out.println("active: " + loadingBean.getLoadedClassCount());
			System.out.println("unloaded: " + loadingBean.getUnloadedClassCount());
		}
	}
}

c. 运行输出

jvm.MetaSpaceOomMock$$EnhancerByCGLIB$$567f7ec0
total: 6265
active: 6265
unloaded: 0
jvm.MetaSpaceOomMock$$EnhancerByCGLIB$$3501581b
total: 6266
active: 6266
unloaded: 0
Exception in thread "main" net.sf.cglib.core.CodeGenerationException: java.lang.reflect.InvocationTargetException-->null
	at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.generate(AbstractClassGenerator.java:345)
	at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.generate(Enhancer.java:492)
	at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator$ClassLoaderData$3.apply(AbstractClassGenerator.java:93)
	at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator$ClassLoaderData$3.apply(AbstractClassGenerator.java:91)
	at net.sf.cglib.core.internal.LoadingCache$2.call(LoadingCache.java:54)
	at java.util.concurrent.FutureTask.run(FutureTask.java:266)
	at net.sf.cglib.core.internal.LoadingCache.createEntry(LoadingCache.java:61)
	at net.sf.cglib.core.internal.LoadingCache.get(LoadingCache.java:34)
	at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator$ClassLoaderData.get(AbstractClassGenerator.java:116)
	at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.create(AbstractClassGenerator.java:291)
	at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.createHelper(Enhancer.java:480)
	at net.sf.cglib.proxy.Enhancer.createClass(Enhancer.java:337)
	at jvm.MetaSpaceOomMock.main(MetaSpaceOomMock.java:38)
Caused by: java.lang.reflect.InvocationTargetException
	at sun.reflect.GeneratedMethodAccessor1.invoke(Unknown Source)
	at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
	at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:498)
	at net.sf.cglib.core.ReflectUtils.defineClass(ReflectUtils.java:413)
	at net.sf.cglib.core.AbstractClassGenerator.generate(AbstractClassGenerator.java:336)
	... 12 more
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
	at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
	at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:763)
	... 17 more

如果是1.7的jdk，那么报OOM的将是PermGen区域。

6. 直接内存

jdk1.4引入了NIO，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存。

三、通过VM.native_memory观察各个区的内存占用

navtive memory tracking的oracle官方文档 https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/troubleshoot/tooldescr007.html，这里不做赘述

进程启动参数增加：

-XX:NativeMemoryTracking=summary

命令行执行：jcmd 1 VM.native_memory

[apps@mvx ~]$ jcmd 1 VM.native_memory
1:

Native Memory Tracking:

Total: reserved=4707221KB, committed=2283297KB
-                 Java Heap (reserved=2516992KB, committed=1263104KB)
                            (mmap: reserved=2516992KB, committed=1263104KB) 
 
-                     Class (reserved=1216882KB, committed=186610KB)
                            (classes #26465)
                            (malloc=8562KB #65948) 
                            (mmap: reserved=1208320KB, committed=178048KB) 
 
-                    Thread (reserved=389347KB, committed=389347KB)
                            (thread #378)
                            (stack: reserved=387556KB, committed=387556KB)
                            (malloc=1286KB #1889) 
                            (arena=506KB #752)
 
-                      Code (reserved=268974KB, committed=134102KB)
                            (malloc=19374KB #20793) 
                            (mmap: reserved=249600KB, committed=114728KB) 
 
-                        GC (reserved=95490KB, committed=90598KB)
                            (malloc=3522KB #1944) 
                            (mmap: reserved=91968KB, committed=87076KB) 
 
-                  Compiler (reserved=932KB, committed=932KB)
                            (malloc=801KB #1684) 
                            (arena=131KB #5)
 
-                  Internal (reserved=181632KB, committed=181632KB)
                            (malloc=181600KB #38974) 
                            (mmap: reserved=32KB, committed=32KB) 
 
-                    Symbol (reserved=30300KB, committed=30300KB)
                            (malloc=26424KB #279074) 
                            (arena=3876KB #1)
 
-    Native Memory Tracking (reserved=6482KB, committed=6482KB)
                            (malloc=49KB #550) 
                            (tracking overhead=6434KB)
 
-               Arena Chunk (reserved=188KB, committed=188KB)
                            (malloc=188KB)

总结

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持脚本之家。

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