精美图文带你掌握JVM内存布局

　　本 JVM 系列属于本人学习过程当中总结的一些知识点，目的是想让读者更快地掌握 JVM 相关的知识要点，难免会有所侧重，若想要更加系统更加详细的学习 JVM 知识，还是需要去阅读专业的书籍和文档。
　　本文主题内容：
　　JVM 内存区域概览  堆区的空间分配是怎么样？堆溢出的演示  创建一个新对象内存是怎么分配的？  方法区 到 Metaspace 元空间  栈帧是什么？栈帧里有什么？怎么理解？  本地方法栈  程序计数器  Code Cache 是什么？
　　注：请区分 JVM 内存结构 （内存布局） 和 JMM（Java 内存模型） 这两个不同的概念！
　　概念
　　内存是非常重要的系统资源，是硬盘和 CPU 的中间仓库及桥梁，承载着操作系统和应用程序的实时运行。JVM 内存布局规定了 Java 在运行过程中内存申请、分配、管理的策略，保证了 JVM 的高效稳定运行。
　　上图描述了当前比较经典的 JVM 内存布局。 （堆区画小了 2333，按理来说应该是最大的区域）
　　如果按照线程是否共享来分类的话，如下图所示：
　　PS：线程是否共享这点，实际上理解了每块区域的实际用处之后，就很自然而然的就记住了。不需要死记硬背。
　　下面让我们来了解下各个区域。
　　Heap (堆区）
　　1. 堆区的介绍
　　我们先来说堆。堆是 OOM 故障最主要的发生区域。它是内存区域中最大的一块区域，被所有线程共享，存储着几乎所有的实例对象、数组。所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着 JIT 编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么＂绝对＂了。  延伸知识点：JIT 编译优化中的一部分内容 - 逃逸分析。
　　推荐阅读：深入理解 Java 中的逃逸分析
　　https://www.hollischuang.com/archives/2583
　　Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做＂GC 堆＂。从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以 Java 堆中还可以细分为：新生代和老年代。再细致一点的有 Eden 空间、From Survivor 空间、To Survivor 空间等。从内存分配的角度来看，线程共享的 Java 堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer,TLAB）。不过无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。
　　2. 堆区的调整
　　根据 Java 虚拟机规范的规定，Java 堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以在运行时动态地调整。
　　如何调整呢？
　　通过设置如下参数，可以设定堆区的初始值和最大值，比如  -Xms256M -Xmx 1024M ，其中 -X  这个字母代表它是 JVM 运行时参数，ms  是 memory start  的简称，中文意思就是内存初始值，mx  是 memory max  的简称，意思就是最大内存。
　　值得注意的是，在通常情况下，服务器在运行过程中，堆空间不断地扩容与回缩，会形成不必要的系统压力所以在线上生产环境中 JVM 的  Xms  和 Xmx  会设置成同样大小，避免在 GC 后调整堆大小时带来的额外压力。
　　3. 堆的默认空间分配
　　另外，再强调一下堆空间内存分配的大体情况。
　　这里可能就会有人来问了，你从哪里知道的呢？如果我想配置这个比例，要怎么修改呢？
　　我先来告诉你怎么看虚拟机的默认配置。命令行上执行如下命令，就可以查看当前 JDK 版本所有默认的 JVM 参数。
　　java -XX:+PrintFlagsFinal -version输出
　　对应的输出应该有几百行，我们这里去看和堆内存分配相关的两个参数
　　>java -XX:+PrintFlagsFinal -version [Global flags]     ...     uintx InitialSurvivorRatio                      = 8     uintx NewRatio                                  = 2     ... java version ＂1.8.0_131＂ Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_131-b11) Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.131-b11, mixed mode)参数解释
　　因为新生代是由  Eden + S0 + S1  组成的，所以按照上述默认比例，如果 eden  区内存大小是 40M，那么两个 survivor  区就是 5M，整个 young  区就是 50M，然后可以算出 Old  区内存大小是 100M，堆区总大小就是 150M。 4. 堆溢出演示 /**  * VM Args：-Xms10m -Xmx10m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError  * @author Richard_Yi  */ public class HeapOOMTest {      public static final int _1MB = 1024 * 1024;      public static void main(String[] args) {         List byteList = new ArrayList<>(10);         for (int i = 0; i < 10; i++) {             byte[] bytes = new byte[2 * _1MB];             byteList.add(bytes);         }     } }输出 java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space Dumping heap to java_pid32372.hprof ... Heap dump file created [7774077 bytes in 0.009 secs] Exception in thread ＂main＂ java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space     at jvm.HeapOOMTest.main(HeapOOMTest.java:18)-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 可以让 JVM 在遇到 OOM 异常时，输出堆内信息，特别是对相隔数月才出现的 OOM 异常尤为重要。   创建一个新对象内存分配流程
　　看完上面对堆的介绍，我们趁热打铁再学习一下 JVM 创建一个新对象的内存分配流程。
　　绝大部分对象在  Eden  区生成，当 Eden  区装填满的时候，会触发 Young Garbage Collection ，即 YGC 。垃圾回收的时候，在 Eden  区实现清除策略，没有被引用的对象则直接回收。依然存活的对象会被移送到 Survivor  区。Survivor  区分为 so 和 s1 两块内存空间。每次 YGC  的时候，它们将存活的对象复制到未使用的那块空间，然后将当前正在使用的空间完全清除，交换两块空间的使用状态。如果 YGC 要移送的对象大于 Survivor  区容量的上限，则直接移交给老年代。一个对象也不可能永远呆在新生代，就像人到了 18 岁就会成年一样，在 JVM 中 －XX:MaxTenuringThreshold  参数就是来配置一个对象从新生代晋升到老年代的阈值。默认值是 15，可以在 Survivor  区交换 14 次之后，晋升至老年代。
　　上述涉及到一部分垃圾回收的名词，不熟悉的读者可以查阅资料或者看下本系列的垃圾回收章节。
　　Metaspace 元空间
　　在  HotSpot JVM  中，永久代（ ≈ 方法区） 中用于存放类和方法的元数据以及常量池，比如 Class  和 Method 。每当一个类初次被加载的时候，它的元数据都会放到永久代中。
　　永久代是有大小限制的，因此如果加载的类太多，很有可能导致永久代内存溢出，即万恶的  java.lang.OutOfMemoryError: PermGen ，为此我们不得不对虚拟机做调优。
　　那么，Java 8 中  PermGen  为什么被移出 HotSpot JVM  了？（详见：JEP 122: Remove the Permanent Generation） ：
　　1. 由于  PermGen  内存经常会溢出，引发恼人的 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen ，因此 JVM 的开发者希望这一块内存可以更灵活地被管理，不要再经常出现这样的 OOM
　　2. 移除  PermGen  可以促进 HotSpot JVM  与 JRockit VM  的融合，因为 JRockit  没有永久代。
　　根据上面的各种原因， PermGen  最终被移除，方法区移至 Metaspace ，字符串常量池移至堆区。
　　准确来说，Perm 区中的字符串常量池被移到了堆内存中是在 Java7 之后，Java 8 时，PermGen 被元空间代替，其他内容比如类元信息、字段、静态属性、方法、常量等都移动到元空间区。比如  java/lang/Object  类元信息、静态属性 System.out、整形常量 100000 等。
　　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：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制。 （和后面提到的直接内存一样，都是使用本地内存）
　　In JDK 8, classes metadata is now stored in the native heap and this space is called Metaspace.
　　对应的 JVM 调参：