JVM堆内存和非堆内存

来自：http://xstarcd.github.io/wiki/Java/JVM_Heap_Non-heap.html

堆和非堆内存

按照官方的说法：“Java 虚拟机具有一个堆(Heap)，堆是运行时数据区域，所有类实例和数组的内存均从此处分配。堆是在 Java 虚拟机启动时创建的。”“在JVM中堆之外的内存称为非堆内存(Non-heap memory)”。

JVM主要管理两种类型的内存：堆和非堆。

Heap memory	Code Cache
Eden Space
Survivor Space
Tenured Gen
non-heap memory	Perm Gen
native heap?(I guess)

堆内存

Java 虚拟机具有一个堆，堆是运行时数据区域，所有类实例和数组的内存均从此处分配。堆是在 Java 虚拟机启动时创建的。对象的堆内存由称为垃圾回收器的自动内存管理系统回收。

堆的大小可以固定，也可以扩大和缩小。堆的内存不需要是连续空间。

非堆内存

Java 虚拟机管理堆之外的内存（称为非堆内存）。

Java 虚拟机具有一个由所有线程共享的方法区。方法区属于非堆内存。它存储每个类结构，如运行时常数池、字段和方法数据，以及方法和构造方法的代码。它是在 Java 虚拟机启动时创建的。

方法区在逻辑上属于堆，但 Java 虚拟机实现可以选择不对其进行回收或压缩。与堆类似，方法区的大小可以固定，也可以扩大和缩小。方法区的内存不需要是连续空间。

除了方法区外，Java 虚拟机实现可能需要用于内部处理或优化的内存，这种内存也是非堆内存。例如，JIT 编译器需要内存来存储从 Java 虚拟机代码转换而来的本机代码，从而获得高性能。

几个基本概念

PermGen space：全称是Permanent Generation space，即永久代。就是说是永久保存的区域,用于存放Class和Meta信息，Class在被Load的时候被放入该区域，GC(Garbage Collection)应该不会对PermGen space进行清理，所以如果你的APP会LOAD很多CLASS的话，就很可能出现PermGen space错误。

Heap space：存放Instance。

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Java Heap分为3个区，Young即新生代，Old即老生代和Permanent。

Young保存刚实例化的对象。当该区被填满时，GC会将对象移到Old区。Permanent区则负责保存反射对象。

堆内存分配
- JVM初始分配的堆内存由-Xms指定，默认是物理内存的1/64；
- JVM最大分配的堆内存由-Xmx指定，默认是物理内存的1/4。
- 默认空余堆内存小于40%时，JVM就会增大堆直到-Xmx的最大限制；
- 空余堆内存大于70%时，JVM会减少堆直到-Xms的最小限制。
- 因此服务器一般设置-Xms、-Xmx 相等以避免在每次GC 后调整堆的大小。
- 说明：如果-Xmx 不指定或者指定偏小，应用可能会导致java.lang.OutOfMemory错误，此错误来自JVM，不是Throwable的，无法用try...catch捕捉。

非堆内存分配
- JVM使用-XX:PermSize设置非堆内存初始值，默认是物理内存的1/64；
- 由XX:MaxPermSize设置最大非堆内存的大小，默认是物理内存的1/4。
  - 还有一说：MaxPermSize缺省值和-server -client选项相关，-server选项下默认MaxPermSize为64m，-client选项下默认MaxPermSize为32m。这个我没有实验。
- XX:MaxPermSize设置过小会导致java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space 就是内存益出。
- 为什么会内存益出：
  1. 这一部分内存用于存放Class和Meta的信息，Class在被 Load的时候被放入PermGen space区域，它和存放Instance的Heap区域不同。
  2. GC(Garbage Collection)不会在主程序运行期对PermGen space进行清理，所以如果你的APP会LOAD很多CLASS 的话,就很可能出现PermGen space错误。
- 这种错误常见在web服务器对JSP进行pre compile的时候。

JVM内存限制(最大值)

首先JVM内存限制于实际的最大物理内存，假设物理内存无限大的话，JVM内存的最大值跟操作系统有很大的关系。简单的说就32位处理器虽然可控内存空间有4GB,但是具体的操作系统会给一个限制，这个限制一般是2GB-3GB（一般来说Windows系统下为1.5G-2G，Linux系统下为2G-3G），而64bit以上的处理器就不会有限制了。

为什么有的机器我将-Xmx和-XX:MaxPermSize都设置为512M之后Eclipse可以启动，而有些机器无法启动？
- 通过上面对JVM内存管理的介绍我们已经了解到JVM内存包含两种：堆内存和非堆内存，另外JVM最大内存首先取决于实际的物理内存和操作系统。所以说设置VM参数导致程序无法启动主要有以下几种原因：
  1. 参数中-Xms的值大于-Xmx，或者-XX:PermSize的值大于-XX:MaxPermSize；
  2. -Xmx的值和-XX:MaxPermSize的总和超过了JVM内存的最大限制，比如当前操作系统最大内存限制，或者实际的物理内存等等。说到实际物理内存这里需要说明一点的是，如果你的内存是1024MB，但实际系统中用到的并不可能是1024MB，因为有一部分被硬件占用了。

如果你有一个双核的CPU，也许可以尝试这个参数: -XX:+UseParallelGC 让GC可以更快的执行。（只是JDK 5里对GC新增加的参数）

如果你的WEB APP下都用了大量的第三方jar，其大小超过了服务器jvm默认的大小，那么就会产生内存益出问题了。解决方法：设置MaxPermSize大小。
- 增加服务器启动的JVM参数设置： -Xms128m -Xmx256m -XX:PermSize=128M -XX:MaxNewSize=256m -XX:MaxPermSize=256m
- 如tomcat，修改TOMCAT_HOME/bin/catalina.sh，在echo "Using CATALINA_BASE: $CATALINA_BASE"上面加入以下行：JAVA_OPTS="-server -XX:PermSize=64M -XX:MaxPermSize=128m

建议：将相同的第三方jar文件移置到tomcat/shared/lib目录下，这样可以减少jar 文档重复占用内存

JVM内存设置参数

内存设置参数

设置项说明

-Xms512m	表示JVM初始分配的堆内存大小为512m（JVM Heap(堆内存)最小尺寸，初始分配）
-Xmx1024m	JVM最大允许分配的堆内存大小为1024m，按需分配（JVM Heap(堆内存)最大允许的尺寸，按需分配）
-XX:PermSize=512M	JVM初始分配的非堆内存
-XX:MaxPermSize=1024M	JVM最大允许分配的非堆内存，按需分配
-XX:NewSize/-XX:MaxNewSize	定义YOUNG段的尺寸，NewSize为JVM启动时YOUNG的内存大小；
MaxNewSize为最大可占用的YOUNG内存大小。
-XX:SurvivorRatio	设置YOUNG代中Survivor空间和Eden空间的比例

说明：
1. 如果-Xmx不指定或者指定偏小，应用可能会导致java.lang.OutOfMemory错误，此错误来自JVM不是Throwable的，无法用try...catch捕捉。
2. PermSize和MaxPermSize指明虚拟机为java永久生成对象（Permanate generation）如，class对象、方法对象这些可反射（reflective）对象分配内存限制，这些内存不包括在Heap（堆内存）区之中。
3. -XX:MaxPermSize分配过小会导致：java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space。
4. MaxPermSize缺省值和-server -client选项相关：-server选项下默认MaxPermSize为64m、-client选项下默认MaxPermSize为32m。

申请一块内存的过程
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/OLD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”

resin服务器典型的响应时间优先型的jvm配置：

-Xmx2000M -Xms2000M -Xmn500M
-XX:PermSize=250M -XX:MaxPermSize=250M
-Xss256K
-XX:+DisableExplicitGC
-XX:SurvivorRatio=1
-XX:+UseConcMarkSweepGC
-XX:+UseParNewGC
-XX:+CMSParallelRemarkEnabled
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=0
-XX:+CMSClassUnloadingEnabled
-XX:LargePageSizeInBytes=128M
-XX:+UseFastAccessorMethods
-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=60
-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB=0
-XX:+PrintClassHistogram
-XX:+PrintGCDetails
-XX:+PrintGCTimeStamps
-XX:+PrintHeapAtGC
-Xloggc:log/gc.log

内存回收算法

Java中有四种不同的回收算法，对应的启动参数为:

–XX:+UseSerialGC
–XX:+UseParallelGC
–XX:+UseParallelOldGC
–XX:+UseConcMarkSweepGC

Serial Collector

大部分平台或者强制 java -client 默认会使用这种。

young generation算法 = serial

old generation算法 = serial (mark-sweep-compact)

这种方法的缺点很明显, stop-the-world, 速度慢。服务器应用不推荐使用。

Parallel Collector

在linux x64上默认是这种，其他平台要加 java -server 参数才会默认选用这种。

young = parallel，多个thread同时copy

old = mark-sweep-compact = 1

优点：新生代回收更快。因为系统大部分时间做的gc都是新生代的，这样提高了throughput(cpu用于非gc时间)

缺点：当运行在8G/16G server上old generation live object太多时候pause time过长

Parallel Compact Collector (ParallelOld)

young = parallel = 2

old = parallel，分成多个独立的单元，如果单元中live object少则回收，多则跳过

优点：old old generation上性能较 parallel 方式有提高

缺点：大部分server系统old generation内存占用会达到60%-80%, 没有那么多理想的单元live object很少方便迅速回收，同时compact方面开销比起parallel并没明显减少。

Concurrent Mark-Sweep(CMS) Collector

young generation = parallel collector = 2

old = cms

同时不做 compact 操作。

优点：pause time会降低, pause敏感但CPU有空闲的场景需要建议使用策略4.

缺点：cpu占用过多，cpu密集型服务器不适合。另外碎片太多，每个object的存储都要通过链表连续跳n个地方，空间浪费问题也会增大。

内存监控方法

jmap -heap 查看java 堆（heap）使用情况

 
          jmap -heap pid  
         
          using thread- 
          local 
          object allocation. 
         
          Parallel GC with 4 thread(s)    
          #GC 方式 
         
          Heap Configuration:   
          #堆内存初始化配置 
         
          MinHeapFreeRatio=40   
          #对应jvm启动参数-XX:MinHeapFreeRatio设置JVM堆最小空闲比率(default 40) 
         
          MaxHeapFreeRatio=70   
          #对应jvm启动参数 -XX:MaxHeapFreeRatio设置JVM堆最大空闲比率(default 70) 
         
          MaxHeapSize=512.0MB   
          #对应jvm启动参数-XX:MaxHeapSize=设置JVM堆的最大大小 
         
          NewSize  = 1.0MB      
          #对应jvm启动参数-XX:NewSize=设置JVM堆的‘新生代’的默认大小 
         
          MaxNewSize =4095MB    
          #对应jvm启动参数-XX:MaxNewSize=设置JVM堆的‘新生代’的最大大小 
         
          OldSize  = 4.0MB      
          #对应jvm启动参数-XX:OldSize=<value>:设置JVM堆的‘老生代’的大小 
         
          NewRatio  = 8         
          #对应jvm启动参数-XX:NewRatio=:‘新生代’和‘老生代’的大小比率 
         
          SurvivorRatio = 8     
          #对应jvm启动参数-XX:SurvivorRatio=设置年轻代中Eden区与Survivor区的大小比值 
         
          PermSize= 16.0MB      
          #对应jvm启动参数-XX:PermSize=<value>:设置JVM堆的‘永生代’的初始大小 
         
          MaxPermSize=64.0MB    
          #对应jvm启动参数-XX:MaxPermSize=<value>:设置JVM堆的‘永生代’的最大大小 
         
          Heap Usage:           
          #堆内存分步 
         
          PS Young Generation 
         
          Eden Space:          
          #Eden区内存分布 
         
          capacity = 20381696 (19.4375MB)              
          #Eden区总容量 
         
          used     = 20370032 (19.426376342773438MB)   
          #Eden区已使用 
         
          free     
          = 11664 (0.0111236572265625MB)      
          #Eden区剩余容量 
         
          99.94277218147106% used                      
          #Eden区使用比率 
         
          From Space:         
          #其中一个Survivor区的内存分布 
         
          capacity = 8519680 (8.125MB) 
         
          used     = 32768 (0.03125MB) 
         
          free     
          = 8486912 (8.09375MB) 
         
          0.38461538461538464% used 
         
          To Space:           
          #另一个Survivor区的内存分布 
         
          capacity = 9306112 (8.875MB) 
         
          used     = 0 (0.0MB) 
         
          free     
          = 9306112 (8.875MB) 
         
          0.0% used 
         
          PS Old Generation   
          #当前的Old区内存分布 
         
          capacity = 366280704 (349.3125MB) 
         
          used     = 322179848 (307.25464630126953MB) 
         
          free     
          = 44100856 (42.05785369873047MB) 
         
          87.95982001825573% used 
         
          PS Perm Generation  
          #当前的 “永生代” 内存分布 
         
          capacity = 32243712 (30.75MB) 
         
          used     = 28918584 (27.57891082763672MB) 
         
          free     
          = 3325128 (3.1710891723632812MB) 
         
          89.68751488662348% used

JVM内存监控工具

 
     
      
        
        
          <%@ page import="java.lang.management.*" %> 
         
 
          <%@ page import="java.util.*" %> 
         
 
          < 
          html 
          > 
         
 
          < 
          head 
          > 
         
 
             
          < 
          title 
          >JVM Memory Monitor</ 
          title 
          > 
         
 
          </ 
          head 
          > 
         
 
          < 
          body 
          > 
         
 
          < 
          table 
          border 
          = 
          "0" 
          width 
          = 
          "100%" 
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          < 
          tr 
          >< 
          td 
          colspan 
          = 
          "2" 
          align 
          = 
          "center" 
          >< 
          h3 
          >Memory MXBean</ 
          h3 
          ></ 
          td 
          ></ 
          tr 
          > 
         
 
               
          < 
          tr 
          >< 
          td 
          width 
          = 
          "200" 
          >Heap Memory Usage</ 
          td 
          >< 
          td 
          ><%=ManagementFactory.getMemoryMXBean().getHeapMemoryUsage()%></ 
          td 
          ></ 
          tr 
          > 
         
 
               
          < 
          tr 
          >< 
          td 
          >Non-Heap Memory Usage</ 
          td 
          >< 
          td 
          ><%=ManagementFactory.getMemoryMXBean().getNonHeapMemoryUsage()%></ 
          td 
          ></ 
          tr 
          > 
         
 
               
          < 
          tr 
          >< 
          td 
          colspan 
          = 
          "2" 
          >&nbsp;</ 
          td 
          ></ 
          tr 
          > 
         
 
               
          < 
          tr 
          >< 
          td 
          colspan 
          = 
          "2" 
          align 
          = 
          "center" 
          >< 
          h3 
          >Memory Pool MXBeans</ 
          h3 
          ></ 
          td 
          ></ 
          tr 
          > 
         
 
          <% 
         
 
                   
          Iterator iter = ManagementFactory.getMemoryPoolMXBeans().iterator(); 
         
 
                   
          while (iter.hasNext()) { 
         
 
                       
          MemoryPoolMXBean item = (MemoryPoolMXBean) iter.next(); 
         
 
          %> 
         
 
          < 
          tr 
          >< 
          td 
          colspan 
          = 
          "2" 
          > 
         
 
               
          < 
          table 
          border 
          = 
          "0" 
          width 
          = 
          "100%" 
          style 
          = 
          "border: 1px #98AAB1 solid;" 
          > 
         
 
                   
          < 
          tr 
          >< 
          td 
          colspan 
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          "2" 
          align 
          = 
          "center" 
          >< 
          b 
          ><%= item.getName() %></ 
          b 
          ></ 
          td 
          ></ 
          tr 
          > 
         
 
                   
          < 
          tr 
          >< 
          td 
          width 
          = 
          "200" 
          >Type</ 
          td 
          >< 
          td 
          ><%= item.getType() %></ 
          td 
          ></ 
          tr 
          > 
         
 
                   
          < 
          tr 
          >< 
          td 
          >Usage</ 
          td 
          >< 
          td 
          ><%= item.getUsage() %></ 
          td 
          ></ 
          tr 
          > 
         
 
                   
          < 
          tr 
          >< 
          td 
          >Peak Usage</ 
          td 
          >< 
          td 
          ><%= item.getPeakUsage() %></ 
          td 
          ></ 
          tr 
          > 
         
 
                   
          < 
          tr 
          >< 
          td 
          >Collection Usage</ 
          td 
          >< 
          td 
          ><%= item.getCollectionUsage() %></ 
          td 
          ></ 
          tr 
          > 
         
 
               
          </ 
          table 
          > 
         
 
          </ 
          td 
          ></ 
          tr 
          > 
         
 
          < 
          tr 
          >< 
          td 
          colspan 
          = 
          "2" 
          >&nbsp;</ 
          td 
          ></ 
          tr 
          > 
         
 
          <%} %> 
         
 
          </ 
          table 
          > 
         
 
          </ 
          body 
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          </ 
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