JVM之java内存区域[2]（堆、方法区、直接内存）

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一 堆

1.1 java堆

• 一般Java程序中堆内存是空间最大的一块内存区域。创建出来的对象都存在于堆上

• 栈上的局部变量表中，可以存放堆上对象的引用。静态变量也可以存放堆对象的引用，通过静态变量就可以实现对象在线程之间共享
  

• 堆空间有三个需要关注的值，used total max

• used：当前已使用的堆内存

• total：java虚拟机已经分配的可用堆内存，max是java虚拟机可以分配的最大堆内存
  

• 随着堆中的对象增多，当total内存不足时，java虚拟机会继续分配内存给堆。如果堆内存不足，java虚拟机就会不断的分配内存，total值会变大。total最多只能与max相等。
  

• 如果不设置任何的虚拟机参数，max默认是系统内存的1/4，total默认是系统内存的1/64。在实际应用中一般都需要设置total和max的值

1.2 模拟堆区的溢出

• 通过new关键字不停创建对象，放入集合中，模拟堆内存的溢出，观察堆溢出之后的异常信息。
• 堆内存有上限，当对象一直向堆中放入对象达到上限后，就会抛出OutOfMemory错误

package JVM.heap;import java.io.IOException;
import java.util.ArrayList;/*** 堆内存的使用和回收*/
public class Demo1 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException, IOException {ArrayList<Object> objects = new ArrayList<Object>();while (true){objects.add(new byte[1024 * 1024 * 100]);}}
}

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

1.3 arthas中堆内存相关的功能

• 堆内存used total max三个值可以通过dashboard命令看到
• 手动指定刷新频率（不指定默认5秒一次）：dashboard-i刷新频率(毫秒)

Memory                        used     total     max       usage     GC
heap                          185M     972M      14409M    1.29%     gc.ps_scavenge.count               0
ps_eden_space                 185M     254M      5319M     3.49%     gc.ps_scavenge.time(ms)            0
ps_survivor_space             0K       43008K    43008K    0.00%     gc.ps_marksweep.count              0
ps_old_gen                    0K       692224K   11066368K 0.00%     gc.ps_marksweep.time(ms)           0
nonheap                       29M      30M       -1        96.51%
code_cache                    7M       8M        240M      3.31%
metaspace                     19M      20M       -1        96.90%
compressed_class_space        2M       2M        1024M     0.23%
direct                        1500M    1500M     -         100.00%
mapped                        0K       0K        -         0.00%

1.4 设置大小

• 修改堆的大小，可以使用虚拟机参数 –Xmx（max最大值）和-Xms (初始的total)

• 语法：-Xmx值 -Xms值

• 单位：字节（默认，必须是 1024 的倍数）、k或者K(KB)、m或者M(MB)、g或者G(GB)

• 限制：Xmx必须大于 2 MB，Xms必须大于1MB

• arthas中显示的heap堆大小与设置的值不一样的解释：arthas中的heap堆内存使用了JMX技术中内存获取方式，这种方式与垃圾回收器有关，计算的是可以分配对象的内存，而不是整个内存。

• Java服务端程序开发时，建议将-Xmx和-Xms设置为相同的值，在程序启动之后可使用的总内存就是最大内存，而无需向java虚拟机再次申请，减少申请并分配内存时间上的开销，同时也避免出现内存过剩之后堆收缩的情况。
  

二 方法区

2.1 方法区简介

• 方法区是存放基础信息的位置，线程共享，主要包含三部分内容：类的元信息、运行时常量池、字符串常量池
  

1. 方法区存储每个类的基本信息（元信息），一般称之为InstanceKlass对象，在类的加载阶段完成。

   

2. 方法区还存放运行时常量池，常量池中存放的是字节码中的常量池内容。

   • 静态常量池：字节码文件中通过编号查表的方式找到常量。
   • 运行时常量池：当常量池加载到内存中之后，通过内存地址快速的定位到常量池中的内容。
     

3. 方法区中还有一块区域叫字符串常量池(StringTable)。字符串常量池存储在代码中定义的常量字符串内容。比如“123” ，123就会被放入字符串常量池
   

2.2 补充：字符串常量池和运行时常量池

• 早期设计时，字符串常量池是运行时常量池的一部分，存储位置一致。后续做了调整，将字符串常量池和运行时常量池做了拆分。
  

2.3 方法区的大小设计

---

• 方法区是《Java虚拟机规范》中设计的虚拟概念，每款Java虚拟机在实现上都各不相同。Hotspot设计如下：
  • JDK7及之前的版本将方法区存放在堆区域中的永久代空间，堆的大小由虚拟机参数来控制。
  • JDK8及之后的版本将方法区存放在元空间中，元空间位于操作系统维护的直接内存中，默认情况下只要不超过操作系统承受的上限，可以一直分配。
    

2.4 arthas中查看方法区

• 使用memory命令打印出内存情况，JDK7及之前的版本查看ps_perm_gen属性，JDK8及之后的版本查看metaspace属性。

2.5 模拟方法区的溢出

• 通过ByteBuddy框架，动态生成字节码数据，加载到内存中。通过死循环不停地加载到方法区，观察方法区是
  否会出现内存溢出的情况。

  import jdk.internal.org.objectweb.asm.ClassWriter;
  import jdk.internal.org.objectweb.asm.Opcodes;
  import java.io.IOException;
  /*** 方法区的溢出测试*/
  public class Demo1 extends ClassLoader {public static void main(String[] args) throws IOException {System.in.read();Demo1 demo1 = new Demo1();int count = 0;while (true) {String name = "Class" + count;ClassWriter classWriter = new ClassWriter(0);classWriter.visit(Opcodes.V1_8, Opcodes.ACC_PUBLIC, name, null, "java/lang/Object", null);byte[] bytes = classWriter.toByteArray();demo1.defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);System.out.println(++count);}}
  }
  

  Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace
  

• JDK7将方法区存放在堆区域中的永久代空间，堆的大小由虚拟机参数-XX:MaxPermSize=值来控制
• JDK8将方法区存放在元空间中，元空间位于操作系统维护的直接内存中，默认情况下只要不超过操作系统承受的上限，可以一直分配。可以使用-XX:MaxMetaspaceSize=值将元空间最大大小进行限制
  

-XX:MaxMetaspaceSize=128M

192546
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Metaspaceat java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:763)at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:642)at JVM.methodarea.Demo1.main(Demo1.java:21)

2.7 StringTable的练习题

1. 练习1

   public static void main(String[] args) {String a = "1";String b = "2";String c = "12";String d = a + b;System.out.println(c == d); //false
   }
   

   
2. 练习2

   public static void main(String[] args) {String a = "1";String b = "2";String c = "12";String d = "1" + "2";System.out.println(c == d); //true
   }
   

三 神奇的intern

• 原来创建字符串的方式是通过源代码中的常量，进行定义并且通过字节码信息加载到常量池里面。
• String.intern()方法是可以手动将字符串放入字符串常量池中。

  public static void main(String[] args) {String s1 = new StringBuilder().append("think").append("123").toString();System.out.println(s1.intern()==s1);// java是在启动的过程中，直接放到字符串常量池中String s2 = new StringBuilder().append("ja").append("va").toString();System.out.println(s2.intern()==s2);
  }
  

• JDK6版本中intern () 方法会把第一次遇到的字符串实例复制到永久代的字符串常量池中，返回的也是永久代里面这个字符串实例的引用。JVM启动时就会把java加入到常量池中。
  
• JDK7及之后版本中由于字符串常量池在堆上，所以intern () 方法会把第一次遇到的字符串的引
  用放入字符串常量池。

四 静态变量的存储

• JDK6及之前的版本中，静态变量是存放在方法区中的，也就是永久代
  
• JDK7及之后的版本中，静态变量是存放在堆中的Class对象中，脱离了永久代。具体源码可参考虚拟机源码：BytecodeInterpreter针对putstatic指令的处理
  

五 直接内存

5.1 直接内存简介

• 直接内存（Direct Memory）并不在《Java虚拟机规范》中存在，所以并不属于Java运行时的内存区域。在 JDK 1.4 中引入了 NIO 机制，使用了直接内存，主要为了解决以下两个问题:
  1. Java堆中的对象如果不再使用要回收，回收时会影响对象的创建和使用。
  2. IO操作，如：读文件，需要先把文件读入直接内存（缓冲区）再把数据复制到Java堆中。
• 现在直接放入直接内存即可，同时Java堆上维护直接内存的引用，减少了数据复制的开销
  
• 创建直接内存上的数据，可以使用ByteBuffer
  • 语法： ByteBuffer directBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(size);
  • 注意事项： arthas的memory命令可以查看直接内存大小，属性名direct

Memory                        used     total     max       usage     GC
heap                          185M     972M      14409M    1.29%     gc.ps_scavenge.count               0
direct                        1500M    1500M     -         100.00%
mapped                        0K       0K        -         0.00%

5.2 设置直接内存大小

• 如果需要手动调整直接内存的大小，可以使用-XX:MaxDirectMemorySize=大小
• 单位k或K表示千字节，m或M表示兆字节，g或G表示千兆字节。默认不设置该参数情况下，JVM 自动选择最大分配的大小

  -XX:MaxDirectMemorySize=1m
  

/*** 直接内存的使用和回收*/
public class Demo1 {public static int size = 1024 * 1024 * 100; //100mbpublic static List<ByteBuffer> list = new ArrayList<ByteBuffer>();public static int count = 0;public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {System.in.read();while (true) {//1.创建DirectByteBuffer对象并返回//2.在DirectByteBuffer构造方法中，向操作系统申请直接内存空间ByteBuffer directBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(size);//directBuffer = null;list.add(directBuffer);System.out.println(++count);Thread.sleep(5000);}}
}

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory

六 jvm内存总结

• 运行时数据区的组成部分和每一部分的作用
  
  
  
  
• 同JDK版本之间运行时数据区域的区别