jvm内存模型完整图解（从jvm内存模型到原理）

jvm内存模型完整图解（从jvm内存模型到原理）同步是指程序用于控制不同线程之间操作发生相对顺序的机制。2.线程之间的同步线程之间的通信机制有两种共享内存和消息传递。1).在共享内存的并发模型里，线程之间共享程序的公共状态，线程之间通过写-读内存中的公共状态来隐式进行通信，典型的共享内存通信方式就是通过共享对象进行通信。2).在消息传递的并发模型里，线程之间没有公共状态，线程之间必须通过明确的发送消息来显式进行通信，在java中典型的消息传递方式就是wait()和notify()。

不管是日常工作还是面试中用到的问到的都是java的内存模型，越是底层的知识越应该深入了解，这样在工作中才能更好的了解系统原理，处理故障问题。剖析内存结构我们先引入个问题，就是并发编程问题。（这里其实是指 jvm运行时内存模型）

并发编程的两个关键问题：线程之间的通信和同步。

1.线程之间的通信

线程的通信是指线程之间以何种机制来交换信息。

线程之间的通信机制有两种共享内存和消息传递。

1).在共享内存的并发模型里，线程之间共享程序的公共状态，线程之间通过写-读内存中的公共状态来隐式进行通信，典型的共享内存通信方式就是通过共享对象进行通信。

2).在消息传递的并发模型里，线程之间没有公共状态，线程之间必须通过明确的发送消息来显式进行通信，在java中典型的消息传递方式就是wait()和notify()。

2.线程之间的同步

同步是指程序用于控制不同线程之间操作发生相对顺序的机制。

Java内存模型即Java Memory Model（JMM）决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。

从抽象的角度来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存（main memory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（local memory），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。

一、在JVM内部，Java内存模型把内存分成了两部分：线程栈区和堆区

栈区：栈=虚拟机栈 本地方法栈

JVM中运行的每个线程都拥有自己的线程栈，线程栈包含了当前线程执行的方法调用相关信息，我们也把它称作调用栈。随着代码的不断执行，调用栈会不断变化。

线程栈还包含了当前方法的所有本地变量信息。一个线程只能读取自己的线程栈，也就是说，线程中的本地变量对其它线程是不可见的。即使两个线程执行的是同一段代码，它们也会各自在自己的线程栈中创建本地变量，因此，每个线程中的本地变量都会有自己的版本。一个本地变量如果是原始类型，那么它会被完全存储到栈区。

所有原始类型(boolean byte short char int long float double)的本地变量都直接保存在线程栈当中，对于它们的值各个线程之间都是独立的。对于原始类型的本地变量，一个线程可以传递一个副本给另一个线程，当它们之间是无法共享的。

堆区：堆=堆 方法区

堆区包含了Java应用创建的所有对象信息，不管对象是哪个线程创建的，其中的对象包括原始类型的封装类（如Byte、Integer、Long等等）。不管对象是属于一个成员变量还是方法中的本地变量，它都会被存储在堆区。一个本地变量也有可能是一个对象的引用，这种情况下，这个本地引用会被存储到栈中，但是对象本身仍然存储在堆区。

对象的创建：类加载、分配内存、内存区域的初始化、虚拟机对对象进行必要的设置。

对于一个对象的成员方法，这些方法中包含本地变量，仍需要存储在栈区，即使它们所属的对象在堆区。

对于一个对象的成员变量，不管它是原始类型还是包装类型，都会被存储到堆区。

Static类型的变量以及类本身相关信息都会随着类本身存储在堆区。

堆中的对象可以被多线程共享。如果一个线程获得一个对象的应用，它便可访问这个对象的成员变量。如果两个线程同时调用了同一个对象的同一个方法，那么这两个线程便可同时访问这个对象的成员变量，但是对于本地变量，每个线程都会拷贝一份到自己的线程栈中。

线程在硬件内存写入过程：

CPU-->CPU寄存器-->CPU缓存器-->主内存

当一个CPU需要访问主存时，会先读取一部分主存数据到CPU缓存，进而在读取CPU缓存到寄存器。当CPU需要写数据到主存时，同样会先flush寄存器到CPU缓存，然后再在某些节点把缓存数据flush到主存。

volatile关键字：

保证变量会直接从主存读取，而对变量的更新也会直接写到主存。volatile原理是基于CPU内存屏障指令实现的。

synchronization关键字：

synchronized代码块可以保证同一个时刻只能有一个线程进入代码竞争区，synchronized代码块也能保证代码块中所有变量都将会从主存中读，当线程退出代码块时，对所有变量的更新将会flush到主存，不管这些变量是不是volatile类型的。

二、在了解了内存模型后，看下内存的分配过程：

内存申请过程：

1.JVM 会试图为相关Java对象在Eden中初始化一块内存区域

2.当Eden空间足够时，内存申请结束。否则到下一步

3.JVM 试图释放在Eden中所有不活跃的对象（这属于1或更高级的垃圾回收） 释放后若Eden空间仍然不足以放入新对象，则试图将部分Eden中活跃对象放入Survivor区

4.Survivor区被用来作为Eden及OLD的中间交换区域，当OLD区空间足够时，Survivor区的对象会被移到Old区，否则会被保留在Survivor区

5.当OLD区空间不够时，JVM 会在OLD区进行完全的垃圾收集（0级）

6.完全垃圾收集后，若Survivor及Old区仍然无法存放从Eden复制过来的部分对象，导致JVM无法在Eden区为新对象创建内存区域，则出现”out of memory错误”

三、GC（Garbage Collection)，是JAVA中的垃圾收集器。

JVM内存模型中Heap区分两大块，一块是 Young Generation，另一块是Old Generation

1） 在Young Generation中，有一个叫Eden Space的空间，主要是用来存放新生的对象，还有两个SurvivorSpaces（from、to）， 它们的大小总是一样，它们用来存放每次垃圾回收后存活下来的对象。

2） 在Old Generation中，主要存放应用程序中生命周期长的内存对象。

3） 在Young Generation块中，垃圾回收一般用Copying的算法，速度快。每次GC的时候，存活下来的对象首先由Eden拷贝到某个SurvivorSpace，当Survivor Space空间满了后，剩下的live对象就被直接拷贝到OldGeneration中去。因此，每次GC后，Eden内存块会被清空。

4） 在Old Generation块中，垃圾回收一般用mark-compact的算法，速度慢些，但减少内存要求。

5） 垃圾回收分多级，0级为全部(Full)的垃圾回收，会回收OLD段中的垃圾；1级或以上为部分垃圾回收，

只会回收Young中的垃圾，内存溢出通常发生于OLD段或Perm段垃圾回收后，仍然无内存空间容纳新的Java对象的情况。

当每个代满了之后都会自动促发collection，各收集器触发的条件不一样，当然也可以通过一些参数进行强制设定。

主要分为两种类型：

Minor Collection：GC用较高的频率对young进行扫描和回收，采用复制算法。

Major Collection：同时对Young和Old进行内存收集，也叫Full GC；因为成本关系对Old的检查回收频率要比Young低很多，采用标记清除/标记整理算法。

常见OOM：

1.老年代空间只有在新生代对象转入及创建为大对象、大数组时才会出现不足的现象，当执行Full GC后空间仍然不足，则抛出如下错误：

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

2.Permanet Generation中存放的为一些class的信息、常量、静态变量等数据，当系统中要加载的类、反射的类和调用的方法较多时，Permanet Generation可能会被占满，在未配置为采用CMS GC的情况下也会执行Full GC。如果经过Full GC仍然回收不了，那么JVM会抛出如下错误信息：

java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

常用排查指令：

1.jstack -l [pid]把线程dump出来查看栈情况 配合top先找出最耗费CPU的线程，再定位。

2.jmap -heap [pid]把内存使用情况打印出来看看

3.jstat -gcutil [pid] 1000 10来跟踪GC情况。

4.jmap -histo [pid]把程序的对象情况打印出来

5.jmap -histo:live 21711

6.jps主要用来输出JVM中运行的进程状态信息。jps -m -l

堆内存 = 年轻代 年老代 永久代

年轻代 = Eden区 两个Survivor区（From和To）

FGC、FGCT：Full GC次数和Full GC耗时

jvm启动参数：

JAVA_OPTS="-Xms2048m -Xmx2048m -Xmn1024m -Xss1024K -XX:PermSize=128m -XX:MaxPermSize=512m"

1：-Xms 堆空间初始大小

2：-Xmx 堆空间最大数值

3：-Xmn 年轻代的堆大小

4：-Xss 每个线程堆大小

5：-XX:PermSize 设置持久代(perm gen)初始值

6：-XX:MaxPermSize 设置持久代最大值

java启动参数共分为三类

其一是标准参数（-），所有的JVM实现都必须实现这些参数的功能，而且向后兼容；

其二是非标准参数（-X），默认jvm实现这些参数的功能，但是并不保证所有jvm实现都满足，且不保证向后兼容；

其三是非Stable参数（-XX），此类参数各个jvm实现会有所不同，将来可能会随时取消，需要慎重使用；

重点介绍：非标准参数又称为扩展参数

-Xms512m 设置JVM促使内存为512m。此值可以设置与-Xmx相同，以避免每次垃圾回收完成后JVM重新分配内存。

-Xmx512m ，设置JVM最大可用内存为512M。

-Xmn200m：设置年轻代大小为200M。整个堆大小=年轻代大小 年老代大小 持久代大小。

持久代一般固定大小为64m，所以增大年轻代后，将会减小年老代大小。此值对系统性能影响较大，Sun官方推荐配置为整个堆的3/8。

-Xss128k：设置每个线程的堆栈大小。

JDK5.0以后每个线程堆栈大小为1M，以前每个线程堆栈大小为256K。更具应用的线程所需内存大小进行调整。在相同物理内存下，减小这个值能生成更多的线程。但是操作系统对一个进程内的线程数还是有限制的，不能无限生成，经验值在3000~5000左右。

-Xloggc:file

与-verbose:gc功能类似，只是将每次GC事件的相关情况记录到一个文件中，文件的位置最好在本地，以避免网络的潜在问题。

若与verbose命令同时出现在命令行中，则以-Xloggc为准。

-Xprof 跟踪正运行的程序，并将跟踪数据在标准输出输出；适合于开发环境调试。

jvm中GC执行的三种方式，即串行、并行、并发；

串行（SerialGC）是jvm的默认GC方式，一般适用于小型应用和单处理器，算法比较简单，GC效率也较高，但可能会给应用带来停顿；

并行（ParallelGC）是指GC运行时，对应用程序运行没有影响，GC和app两者的线程在并发执行，这样可以最大限度不影响app的运行；

并发（ConcMarkSweepGC）是指多个线程并发执行GC，一般适用于多处理器系统中，可以提高GC的效率，但算法复杂，系统消耗较大；