本文轉載自美團技術團隊發表的同名文章

https://tech.meituan.com/linux-jvm-memory.html

一, linux與進程內存模型

要理解jvm最重要的一點是要知道jvm只是linux的一個進程,把jvm的視野放大,就能很好的理解JVM細分的一些概念

下圖給出了硬件系統進程三個層面內存之間的關系.

從硬件上看，Linux系統的內存空間由兩個部分構成：物理內存和SWAP(位于磁盤)。物理內存是Linux活動時使用的主要內存區域；當物理內存不夠使用時，Linux會把一部分暫時不用的內存數據放到磁盤上的SWAP中去，以便騰出更多的可用內存空間；而當需要使用位于SWAP的數據時，必須先將其換回到內存中。

從Linux系統上看，除了引導系統的BIN區，整個內存空間主要被分成兩個部分：內核內存(Kernel space)、用戶內存(User space)。

內核內存是linux自身使用的內存空間,主要提供程序調度,內存分配,鏈接硬件資源等程序邏輯使用.用戶內存是提供給各個進程主要空間,linux給每個進程提供4G相同的虛擬內存空間;這種虛擬內存空間,是一種尋址的空間,進程之間都有相互獨立的4G空間地址,實際用到多少,最終會通過頁表寫入真正的磁盤.因此進程之間也是相互獨立的,互不干擾

虛擬內存空間分配如下,

從進程角度看進程能直接訪問的用戶內存被劃分為五個部分(與jvm的內存劃分類似,因為它也是linux的一個進程):代碼區,數據區,堆區,棧區,未使用區,

代碼區中存放應用程序的機器代碼,運行過程中代碼不能被修改,具有只讀和固定大小的特點

數據區中存放應用程序的機器代碼靜態數據和一些常量字符串等,其大小也是固定的,

堆是運行時程序動態申請的空間,屬于程序運行時直接申請釋放的內存資源(jvm的GC也主要回收該部分空間)

棧區用來存放函數的傳入參數,臨時變量(jvm中的方法使用的棧幀),以及返回地址等數據,

二,進程與jvm內存模型

jvm本質是一個進程,因此其內部也有進程的一般特點,但是jvm不是一個普通的進程,其內存模型有一些新特點:1,jvm將許多本來屬于操作系統管理范疇的東西,移植到了jvm內部,目的在于減少系統調用的次數;2,JavaNIO,目的在于減少用于讀寫IO的系統調用的銷,jvm進程與普通進程內存模型比較圖:

需要說明的是，這個模型的并不是JVM內存使用的精確模型，更側重于從操作系統的角度而省略了一些JVM的內部細節(盡管也很重要)。下面從用戶內存和內核內存兩個方面講解JVM進程的內存特點。

1,用戶內存

上圖特別強調了JVM進程模型的代碼區和數據區指的是JVM自身的，而非Java程序的。普通進程棧區，在JVM一般僅僅用做線程棧。JVM的堆區和普通進程的差別是最大的，下面具體詳細說明

首先是永久代,永久代本質上是Java程序的代碼區和數據區,Java程序中類(class),會被加載整個區域的不同數據結構中去,包括常量池,域,方法數據,方法體,構造函數,以及類中的專用方法,實例初始化,接口初始化.永久代對于操作系統來說是堆的一部分;而對于Java程序來說,這是容納程序本身及靜態資源的空間

其次是新生代和老年代,新生代和老年代才是Java程序真正使用的堆空間,主要用于內存對象的存儲；但是其管理方式和普通進程有本質的區別。

普通進程在運行時給內存對象分配空間時,比如C++執行new操作時,會觸發一次分配內存空間的調用,由操作系統的線程根據對象的大小分配好空間后返回;同時程序釋放對象時,比如c++執行delete操作時也會觸發一次系統調用,通知操作系統對象所占用的空間可以回收了

jvm對于內存的使用和一般進程不同,jvm像操作系統申請一整段內存區域(具體大小可以在jvm參數調節)作為Java內存的堆(分為新生代和老年代);當Java程序申請內存空間,比如new操作時,jvm將在這段空間中按所需大小分配給Java程序,并且Java不負責通知回收該內存空間.

JVM的內存管理方式的優點是顯而易見的，包括：第一，減少系統調用的次數，JVM在給Java程序分配內存空間時不需要操作系統干預，僅僅在Java堆大小變化時需要向操作系統申請內存或通知回收，而普通程序每次內存空間的分配回收都需要系統調用參與；第二，減少內存泄漏，普通程序沒有(或者沒有及時)通知操作系統內存空間的釋放是內存泄漏的重要原因之一，而由JVM統一管理，可以避免程序員帶來的內存泄漏問題。

最后是未使用區，未使用區是分配新內存空間的預備區域。對于普通進程來說，這個區域被可用于堆和棧空間的申請及釋放，每次堆內存分配都會使用這個區域，因此大小變動頻繁；對于JVM進程來說，調整堆大小及線程棧時會使用該區域，而堆大小一般較少調整，因此大小相對穩定。操作系統會動態調整這個區域的大小，并且這個區域通常并沒有被分配實際的物理內存，只是允許進程在這個區域申請堆或棧空間。

2.內核內存

應用程序通常不直接和內核內存打交道,內核內存由操作系統進行管理和使用;不過隨著linux對性能的關注及改進,一些新的特性使得應用程序可以使內核內存或者映射到內核空間.javaNIO正是在這種背景下誕生的,其充分利用了linux系統的新特性,提升了Java程序的IO性能

上圖給出了NIO使用的內核內存在linux系統中的分布情況,NIObuffer主要包括:NIO使用各種channel時所使用的ByteBuffer,Java程序主動使用ByteBuffer,allocationDirector申請分配的Buffer.而在PageCache里面,NIO使用的內存主要包括FileChannel.map方式打開文件占用mapped,FileChanneltransferTo和FileChannel.transferFRrom

Linux和JavaNIO在內核內存上開辟空間給程序使用,主要是減少不必要的復制,減少IO操作系統調用的開銷.例如將磁盤文件數據發送到網卡,使用普通方法和NIO時,數據流動比較

將數據在內核內存和用戶內存之間拷貝是比較消耗資源和時間的事情，而從上圖我們可以看到，通過NIO的方式減少了2次內核內存和用戶內存之間的數據拷貝。這是Java NIO高性能的重要機制之一(另一個是異步非阻塞)。

從上面可以看出，內核內存對于Java程序性能也非常重要，因此，在劃分系統內存使用時候，一定要給內核留出一定可用空間。

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