JVM 內存、JMM內存與集群機器節點內存的聯系

1、JVM 內存

1.1、分配機制

1.2、jvm模型位置

1.3、字節碼內存塊

2、JMM內存

?2.1、JMM模型

2.2、工作流程圖

1、工作內存與主內存的交互

2. 多線程下的主內存與堆內存交互

2.3、主內存與工作內存的同步方案

1、volatile

2、synchronized

3、final

3、內存使用

3.1、集群環境

3.2、容器化環境

3.3、示例場景

4、常見問題與解決方案

前言

? ? ? ? 在日常開發過程中，不知道你是否考慮JVM內存模型、JMM模型、計算機內存模型它們是通過何種機制來進行聯系的。

問題：

? ? ? ? 比如當選擇一臺物理機器節點部署應用的時候，如何選擇規模適度的內存大小？選擇了計算機內存后，如何為程序應用選擇JVM內存大小。

????????在jvm內存大小設定好，JMM模型是如何用jvm交互的呢？本篇將介紹下，它們的聯系及內存分配。

1、JVM 內存

1.1、分配機制

????????JVM運行內存分配時，其最終由?操作系統?管理。

????????JVM 的內存參數（如?-Xms、-Xmx）只是告訴 JVM?它期望使用的內存范圍，但實際使用的內存是?運行 JVM 的物理機器或虛擬機節點的內存。

如下圖所示：

根據上面可以看出：

????????JVM內存模型是模仿操作系統內存模型構建的，JVM內存模型和操作系統內存模型是可以一一對應起來的。

1.2、jvm模型位置

關于jvm內存模型，可參考：關于對JVM的知識整理_jvm知識-CSDN博客

?????????JVM就類似于一個操作系統，整個JVM內存模型存儲在操作系統的堆中。

如下圖所示：

1、方法區：

????????而JVM的方法區，也就相當于操作系統/主機的硬盤區，也叫永久區；而操作系統棧(本地方法棧)和JVM的棧也是一致的；

2、堆：

????????JVM堆和操作系統堆在概念上和目標上是一致的，分配內存的方式也是一致的，但JVM堆管理垃圾的方式是GC回收，而操作系統堆則是需要程序員手動釋放；

3、PC寄存器：

????????計算機上的PC寄存器是計算機上的硬件(是CPU內部用來存放“偽指令”或地址數據的一些小型存儲區域)。

????????而對于虛擬機，PC寄存器它表現為一塊內存(一個字長，虛擬機要求字長最小為32位)，存放的是將要執行指令的地址。

1.3、字節碼內存塊

關于更多方法區的介紹，可參考：關于對JVM的知識整理_jvm知識-CSDN博客

? ? ? ? ClassLoader這個類加載器存放在堆內存，當一個classLoder啟動的時候，它會去主機硬盤上將A.class加載到jvm的方法區。

如下所示：

????????方法區里面的字節文件會被虛擬機讀取并執行new A字節碼()，然后在堆內存生成了一個A字節碼的對象。

此時方法區里面A字節碼內存文件有兩個引用：

一個指向A的class對象，一個指向加載自己的classLoader引用。

如下圖。

??????????注意：圖里面的字段信息應該是字段的結構信息（方法區），而不是字段的值（堆內存）。

對比字節碼內存塊和類的信息。

代碼示例：

public final class ClassStruct extends Object implements Serializable {// 實例變量的值（存儲在堆內存）// 實例變量的（結構信息存放在方法區）private String name;private int id;// 靜態常量（存儲在方法區）public final int CONST_INT = 0;public final String CONST_STR = "CONST_STR";// 靜態變量（存儲在方法區）public static String static_str = "static_str";// 靜態方法（字節碼存儲在方法區）public static final String getStatic_str() throws Exception {return ClassStruct.static_str;}
}

結論：jvm方法區里面的字節碼內存就是將完整的類信息加載到了內存。

參考類的信息：

ClassStruct
├── 類名: "ClassStruct"
├── 父類: "java.lang.Object"
├── 接口: "java.io.Serializable"
├── 字段:
│   ├── name: private java.lang.String
│   ├── id: private int
│   ├── static_str: public static java.lang.String
│   ├── CONST_INT: public final int
│   └── CONST_STR: public final java.lang.String
├── 方法:
│   └── getStatic_str(): public static final
└── 常量池:├── "static_str"├── "CONST_STR"└── 0

???????1.類信息：修飾符(public final)

????????????????????????是類還是接口(class,interface)

????????????????????????類的全限定名(Test/ClassStruct.class)

????????????????????????直接父類的全限定名(java/lang/Object.class)

????????????????????????直接父接口的權限定名數組(java/io/Serializable)

?public final class ClassStruct extends Object implements Serializable這段描述的信息提取

???????2.字段結構信息：修飾符(pirvate)

????????????????????????????字段類型(java/lang/String.class)

????????????????????????????字段名(name)

? ? ? ? private String name;這段描述信息的提取。（實例變量的值存放在堆內存里面）

???????3.方法信息:修飾符(public static final)

??????????????????????????方法返回值(java/lang/String.class)

??????????????????????????方法名(getStatic_str)

??????????????????????????參數需要用到的局部變量的大小還有操作數棧大小(操作數棧)

??????????????????????????方法體的字節碼(就是花括號里的內容)

??????????????????????????異常表(throws Exception)

? ? ? ?public static final String getStatic_str ()throws Exception的字節碼的提取

?????????4.常量池:

? ?????????????????整型直接常量池public final int CONST_INT=0;

???????????????????字符串直接常量池???public final String CONST_STR="CONST_STR";

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 浮點型直接常量池? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

????????方法名、方法描述符、類名、字段名，字段描述符的符號引用

? ? ? 5.類變量：

??????????????????就是靜態字段(?public static String static_str="static_str";)

??????????????????虛擬機在使用某個類之前，必須在方法區為這些類變量分配空間。

??????6.一個到堆內存classLoader的引用：

????????通過this.getClass().getClassLoader()。

??????7.一個到堆內存class A對象的引用：

????????這個對象存儲了所有這個字節碼內存塊的相關信息。

可使用反射：java的反射詳解_java中的反射-CSDN博客

1、類信息，你可以通過this.getClass().getName()取得；

2、所有的方法信息，可以通過this.getClass().getDeclaredMethods()。

3、字段信息可以通過this.getClass().getDeclaredFields()。

2、JMM內存

?2.1、JMM模型

????????Java 內存模型（Java Memory Model, JMM）定義了多線程環境下變量的可見性、原子性和有序性規則。

如下圖所示：

Java 內存模型（JMM）
├── 主內存（所有線程共享）
│   ├── 堆內存（對象實例、數組）
│   ├── 方法區（類元數據信息、常量池、靜態變量、字節碼文件）
│   └── 靜態變量
└── 工作內存（每個線程私有）├── 虛擬機棧（局部變量）└── 本地方法棧（Native 方法使用）

1、堆內存與JMM 主內存的聯系

JVM 堆內存是 Java 內存模型（JMM）中主內存的一部分。

堆內存中的對象屬于主內存：

????????所有在堆中創建的對象（如?new object()）存儲在 JMM 的主內存中。多線程共享這些對象，線程通過工作內存（如 CPU 緩存）讀寫堆內存中的對象。

JMM 的主內存范圍更廣：

主內存?不僅包含堆內存，還包括：

????????方法區（存儲類信息、靜態方法和字段、常量池、字節碼文件等，JDK 8 后移至元空間 Metaspace）。

????????靜態變量（存儲在方法區）。

????????局部變量（存儲在虛擬機棧中，但變量引用的對象存儲在堆中）。

主內存 vs 工作內存：

????????主內存：所有線程共享的物理內存（包括堆、方法區等）。

????????工作內存：每個線程私有的本地內存（如 CPU 寄存器、高速緩存），用于臨時存儲變量副本。

注意：堆內存?是主內存中用于存儲對象實例的核心部分。

總結

2.2、工作流程圖

1、工作內存與主內存的交互

2. 多線程下的主內存與堆內存交互

1、變量讀寫流程

線程訪問變量：

????????如果變量在主內存（如堆中的對象字段），線程會將變量復制到工作內存。修改后，線程將更新后的值寫回主內存（通過?happens-before規則保證可見性）。

2、內存可見性問題

默認情況下，線程對變量的修改對其他線程不可見（因為工作內存和主內存的同步延遲）。
解決方案：
- 使用?volatile?關鍵字：強制每次讀寫都直接訪問主內存。
- 使用?synchronized?或?Lock：通過鎖機制確保內存同步。

代碼示例：

public class JMMExample {private int sharedVariable = 0; // 存儲在堆內存（主內存）public void increment() {int localVariable = this.sharedVariable; // 從主內存讀取到工作內存localVariable++;this.sharedVariable = localVariable; // 將修改后的值寫回主內存}
}

線程 A 執行?increment()：
1. 從主內存（堆）讀取?sharedVariable?到工作內存。
2. 修改后寫回主內存。
線程 B 讀取?sharedVariable：
- 如果未使用?volatile?或?synchronized，可能讀取到舊值（工作內存未同步）。

2.3、主內存與工作內存的同步方案

1、volatile

關于volatile的實現詳細可參考：對于Synchronized和Volatile的深入理解_java sychronized和volatile以及同步代碼塊-CSDN博客

private volatile int sharedVariable = 0;

作用：禁止線程緩存變量副本，每次讀寫直接操作主內存。

2、synchronized

關于synchronized的實現可參考：對于Synchronized和Volatile的深入理解_java sychronized和volatile以及同步代碼塊-CSDN博客

public synchronized void increment() {sharedVariable++;
}

作用：通過鎖確保變量的修改對其他線程可見。

3、final

關于final的具體應用，可參考：對于final、finally和finalize不一樣的理解-CSDN博客

private final int sharedVariable = 0;

作用：final?變量在構造函數結束后對其他線程可見。

3、內存使用

3.1、集群環境

????????在?集群部署（如 Kubernetes、Docker Swarm、物理服務器集群）中，每個 JVM 實例運行在某個?節點（Node）?上。

JVM 的內存分配規則如下：

1、節點物理內存 vs JVM 堆內存

1.JVM 堆內存（Heap Memory）：

????????通過?-Xms（初始堆大小）和-Xmx（最大堆大小）參數配置。這些參數控制的是?JVM 堆內存，但它會占用?所在節點的物理內存。

????????例如：-Xmx4g?表示 JVM 最多可以使用 4GB 節點內存用于堆。

2.非堆內存（Metaspace、Direct Memory 等）：

????????Metaspace（類元數據）：默認無上限（需通過?-XX:MaxMetaspaceSize?限制）。

????????直接內存（Direct Memory）：通過?-XX:MaxDirectMemorySize?配置，同樣占用節點物理內存。

如下圖所示：

3.2、容器化環境

如Docker/Kubernetes。

1、容器內存限制：

????????如果 JVM 運行在容器中（如 Docker 容器），容器的內存限制（如?--memory=4g?或 Kubernetes 的?resources.limits.memory）會?限制 JVM 可使用的總內存。

????????JVM 無法突破容器內存限制，否則會被操作系統強制終止（OOMKilled）。

2、JVM 參數與容器限制的關系：

????????-Xmx?應小于容器內存限制的?70%-80%，為其他組件（如非堆內存、OS 緩存）預留空間。例如：容器內存限制為 4GB，則?-Xmx?建議設為?3g。

3.3、示例場景

1：物理服務器集群

節點配置：8GB 內存。
JVM 配置：-Xmx4g。
實際內存使用：JVM 最多占用 4GB 節點內存（堆內存），其余內存可用于其他服務（如數據庫、中間件）。

2：Kubernetes 集群

Pod 配置：resources.limits.memory=4Gi。
JVM 配置：-Xmx3g。
實際內存使用：JVM 最多占用 3GB 容器內存，剩余 1GB 用于非堆內存和容器內其他進程。

4、常見問題與解決方案

1、JVM 報?OOM?但節點內存充足

原因：
- JVM 堆內存未配置，導致堆內存無限制。
- 非堆內存（如 Metaspace）未限制，導致內存泄漏。
解決方案：
- 顯式設置?-Xmx?和?-XX:MaxMetaspaceSize。
- 監控 JVM 內存使用（如通過 Prometheus + Grafana）。

2、容器被 OOMKilled

原因：
- JVM 堆內存 + 非堆內存 + 容器其他進程內存總和超過容器限制。
解決方案：
- 降低?-Xmx，為非堆內存和系統開銷預留空間。
- 使用容器內存配額（如 Kubernetes 的?resources.limits.memory）。

參考文章：

1、JVM內存是對應到操作系統內存_jvm內存和電腦內存的關系-CSDN博客

2、關于對JVM的知識整理_jvm知識-CSDN博客