大厂面试必考-JVM 内存管理 Java8
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前言
本章我们将讨论 JVM 的内存划分以及栈上的执行过程。这块内容在面试中主要涉及以下三个问题：
- JVM 如何进行内存区域的划分？
- JVM 如何高效进行内存管理？
- Java8 为什么增加了元空间，它又涉及什么问题？
1.为什么要进行内存区域划分？
先来讨论为什么要进行内存区域划分？因为 Java 和其他语言相比（比如 C++），最引以为豪的特性就是自动内存管理机制。然而这种自动的内存申请和释放方式，自然也有它的代价。为了管理这些快速的内存申请释放操作，就必须引入一个池子来延迟这些内存区域的回收操作。我们常说的内存回收，就是针对这个池子的操作。我们这个池子叫作堆。
简而言之，基于两点原因要进行内存区域划分
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JVM 的自动内存管理机制。
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内存区域划分可以更加高效的管理内存申请释放操作。
接下来我们继续看 内存区域 究竟如何划分？
2.JVM 内存布局
程序想要运行，就需要数据。有了数据，就需要在内存上存储。Java 程序的数据结构是非常丰富的。其中的内容，举一些例子：
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静态成员变量
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动态成员变量
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区域变量
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短小紧凑的对象声明
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庞大复杂的内存申请
这么多不同的数据结构，到底是在什么地方存储的，他们之前又是如何进行交互的？
我们先看一下 JVM 的内存布局。随着 Java 的发展，内存布局一直在调整之中。比如，Java 8 及之后的版本，彻底移除了持久代，而使用 Metaspace 来进行替代。这也表示着 -XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 等参数调优，已经没有了意义。但大体上，比较重要的内存区域是固定的。
JVM 内存区域划分如图所示，从图中我们可以看出：
- JVM 堆中的数据是共享的，占用内存最大的一块区域。
- 可以执行字节码的模块叫做执行引擎。
- 执行引擎在线程切换时怎么恢复？依靠的就是程序计数器。
- JVM 的内存划分与多线程是息息相关的。像我们程序中运行时用到的栈，以及本地方法栈，它们的维度都是线程。
- 本地内存包含元数据区和一些直接内存。
3.虚拟机栈
栈的数据结构可以参考博主之前的文章 《数据结构与算法|第五章：栈》，文章中的第四小节也会简单介绍虚拟机栈和操作数栈的数据结构。
Java 虚拟机栈是基于线程的，哪怕只有一个 main() 方法，也是以线程的方式运行的。在线程的生命周期中，参与计算的数据会频繁地入栈和出栈，栈的生命周期是和线程一样的。
栈里的每条数据，就是栈帧。在每个 Java 方法被调用的时候，都会创建一个栈帧，并入栈。一旦完成相应的调用，则出栈。所有的栈帧都出栈后，线程也就结束了。每个栈帧，都包含四个区域：
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局部变量表
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操作数栈
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动态连接
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返回地址
我们的应用程序，就是在不断操作这些内存空间中完成的。
本地方法栈是和虚拟机栈非常相似的一个区域，它服务的对象是 native 方法。甚至可以认为虚拟机栈和本地方法栈是同一个区域，这并不影响我们对 JVM 的了解。
这里有一个比较特殊的数据类型叫作 returnAdress。因为这种类型只存在于字节码层面，所以我们平常打交道的比较少。对于 JVM 来说，程序就是存储在方法区的字节码指令，而 returnAddress 类型的值就是指向特定指令内存地址的指针。
其实这里的数据结构可以看成一个“栈中栈”，有一个两层的栈
- 第一层是栈帧，对应着方法
- 第二层是方法的执行，对应着操作数
所有的字节码指令，其实都会抽象成入栈/出栈的操作。执行引擎只需要傻瓜式的按顺序执行，就可以保证它的正确性。
4.程序计数器
那么你设想一下，如果我们的程序在线程之间进行切换，凭什么能够知道这个线程已经执行到什么地方呢？
既然是线程，就代表它在获取 CPU 时间片上，是不可预知的，需要有一个地方，对线程正在运行的点位进行缓冲记录，以便在获取 CPU 时间片时能够快速恢复。
就好比你停下手中的工作，倒了杯茶，然后如何继续之前的工作？
程序计数器是一块较小的内存空间，它的作用可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。这里面存的，就是当前线程执行的进度。下面这张图，能够加深大家对这个过程的理解。
可以看到，程序计数器也是因为线程而产生的，与虚拟机栈配合完成计算操作。程序计数器还存储了当前正在运行的流程，包括正在执行的指令、跳转、分支、循环、异常处理等。
我们可以看一下程序计数器里面的具体内容。下面这张图，就是使用 javap 命令输出的字节码。大家可以看到在每个 opcode 前面，都有一个序号。就是图中红框中的偏移地址，你可以认为它们是程序计数器的内容。
5.堆
堆是 JVM 上最大的内存区域，我们申请的几乎所有的对象，都是在这里存储的。我们常说的垃圾回收，操作的对象就是堆。
堆空间一般是程序启动时，就申请了，但是并不一定会全部使用。
随着对象的频繁创建，堆空间占用的越来越多，就需要不定期的对不再使用的对象进行回收。这个在 Java 中，就叫作 GC（Garbage Collection）。
那一个对象创建的时候，到底是在堆上分配，还是在栈上分配呢？这和两个方面有关：对象的类型和在 Java 类中存在的位置。
Java 的对象可以分为基本数据类型和普通对象。
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对于普通对象来说，JVM 会首先在堆上创建对象，然后在其他地方使用的其实是它的引用。比如，把这个引用保存在虚拟机栈的局部变量表中。
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对于基本数据类型来说（byte、short、int、long、float、double、char)，有两种情况。我们上面提到，每个线程拥有一个虚拟机栈。当你在方法体内声明了基本数据类型的对象，它就会在栈上直接分配。其他情况，都是在堆上分配。
注意，像 int[] 数组这样的内容，是在堆上分配的。数组并不是基本数据类型。
以上就是 JVM 的基本的内存分配策略。
6.元空间
关于元空间，我们还是以一个非常高频的面试题开始：“Java 8 为什么增加了元空间，它有什么问题？”
回想一下类与对象的区别。对象是一个活生生的个体，可以参与到程序的运行中；类更像是一个模版，定义了一系列属性和操作。可以设想一下，我们前面生成的 A.class，是放在 JVM 的哪个区域的？
想要问答这个问题，就不得不提下 Java 的历史。在 Java 8 之前，这些类的信息是放在一个叫 Perm 区的内存里面的。更早版本，甚至 String.intern 相关的运行时常量池也放在这里。这个区域有大小限制，很容易造成 JVM 内存溢出，从而造成 JVM 崩溃。
Perm 区在 Java 8 中已经被彻底废除，取而代之的是 Metaspace。原来的 Perm 区是在堆上的，现在的元空间是在非堆上的，这是背景。关于它们的对比，可以看下这张图。
元空间的好处也是它的坏处。使用非堆可以使用操作系统的内存，JVM 不会再出现方法区的内存溢出；但是，无限制的使用会造成操作系统的死亡。所以，一般也会使用参数 -XX:MaxMetaspaceSize 来控制大小。
方法区，作为一个概念，依然存在。它的物理存储的容器，就是 Metaspace。你只需要了解到，这个区域存储的内容，包括：类的信息、常量池、方法数据、方法代码就可以了。
7.其他面试题
7.1 常量池去哪里了？
JVM中存在多个常量池
- 字符串常量池，已经移动到堆上（jdk8之前是perm区），也就是执行 intern 方法后存的地方。
- 类文件常量池，constant_pool，是每个类每个接口所拥有的，字节码中“#n”的那些都是。这部分数据在方法区，也就是元数据区。
- 运行时常量池是在类加载后的一个内存区域，它们都在元空间。
7.2 堆、非堆、本地内存，有什么关系？
他们之前的内存划分如图：
JVM 在运行时，会从操作系统申请大块的堆内内存，进行数据的存储。但是，堆外内存也就是申请后操作系统剩余的内存，也会有部分受到 JVM 的控制。比较典型的就是一些 native 关键词修饰的方法，以及对内存的申请和处理。
在 Linux 机器上，使用 top 或者 ps 命令，在大多数情况下，能够看到 RSS 段（实际的内存占用），是大于给 JVM 分配的堆内存的。
举个例子（Java 8）：
假设操作系统有8G。-Xmx分配了4G（堆内内存），Metaspace使用了256M（堆外内存），剩下的 8G-4G-256M ，就是操作系统剩下的本地内存。
具体本地内存如何变成堆外内存，要看情况。 比如：
- netty 的 direct buffer 使用了额外的 120MB 内存，那么现在 JVM 占用的堆外内存就有 256M+120M
- 使用了 jni 或者 jna，直接申请了内存 2GB，那么现在 JVM 占用的堆外内存就有 256M+120M+2GB
- 网络 socket 连接等，占用了操作系统的 50MB 内存 这个时候，留给操作系统的就只剩下了：8GB-4GB-256M-120M-2GB-50M。
具体“堆和堆外”一共用了多少，可以top命令，看RSS段。·
8.总结
我们来总结下开篇的三个问题
8.1 JVM 如何进行内存区域的划分？
这个问题可以从两个角度来回答
第一 JVM 规范角度
JVM 规范《The Java Virtual Machine Specification, Java SE 8 Edition》2.5 Run-Time Data Areas
中描述的运行时数据区分为 6 个区域
- 程序计数器（The pc Register）
- 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）
- 堆（Heap）
- 方法区（Method Area）
- 运行时常量池（Run-Time Constant Pool）
- 本地方法栈（Native Method Stacks）
第二具体虚拟机实现角度
Java 8 内存区域划分大致分为 6 个区域：
- 线程私有的三个区域，分别是虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器
- 本地内存（或者说非堆）包含元数据区和直接内存
- 元数据区包含方法区和运行时常量池
- 最后是堆（Heap）区，它是 JVM 上最大的内存区域
8.2 JVM 如何高效进行内存管理？
- 内存区域的合理划分
- 垃圾回收
8.3 Java8 为什么增加了元空间，它又涉及什么问题？
增加元空间的好处是。使用非堆可以使用操作系统的内存，JVM 不会再出现方法区的内存溢出。
但是同时带来的坏处是，无限制的使用会造成操作系统的死亡。所以，一般也会使用参数 -XX:MaxMetaspaceSize 来控制大小。
9.参考
- 《深入浅出 Java 虚拟机》- 李国