Question

理解JVM怎么使用Windows和Linux下的本机内存

Answer 1

Java™ 堆耗尽并不是造成 java.lang.OutOfMemoryError 的惟一原因。如果本机内存 耗尽，则会发生普通调试技巧无法解决的OutOfMemoryError。本文将讨论本机内存的概念，Java 运行时如何使用它，它被耗尽时会出现什么情况，以及如何在 Windows® 和 Linux® 上调试本机 OutOfMemoryError。针对 AIX® 系统的相同主题将在 另一篇同类文章 中介绍。
Java 堆（每个 Java 对象在其中分配）是您在编写 Java 应用程序时使用最频繁的内存区域。JVM 设计用于将我们与主机的特性隔离，所以将内存当作堆来考虑再正常不过了。您一定遇到过 Java 堆 OutOfMemoryError ，它可能是由于对象泄漏造成的，也可能是因为堆的大小不足以存储所有数据，您也可能了解这些场景的一些调试技巧。但是随着您的 Java 应用程序处理越来越多的数据和越来越多的并发负载，您可能就会遇到无法使用常规技巧进行修复的 OutOfMemoryError。在一些场景中，即使 java 堆未满，也会抛出错误。当这类场景发生时，您需要理解 Java 运行时环境（Java Runtime Environment，JRE）内部到底发生了什么。
Java 应用程序在 Java 运行时的虚拟化环境中运行，但是运行时本身是使用 C 之类的语言编写的本机程序，它也会耗用本机资源，包括本机内存。 本机内存是可用于运行时进程的内存，它与 Java 应用程序使用的 java 堆内存不同。每种虚拟化资源（包括 Java 堆和 Java 线程）都必须存储在本机内存中，虚拟机在运行时使用的数据也是如此。这意味着主机的硬件和操作系统施加在本机内存上的限制会影响到 Java 应用程序的性能。
本系列文章共分两篇，讨论不同平台上的相应话题。本文是其中一篇。在这两篇文章中，您将了解什么是本机内存，Java 运行时如何使用它，本机内存耗尽之后会发生什么情况，以及如何调试本机 OutOfMemoryError。本文介绍 Windows 和 Linux 平台上的这一主题，不会介绍任何特定的运行时实现。另一篇 类似的文章 介绍 AIX 上的这一主题，着重介绍 IBM® Developer Kit for Java。（另一篇文章中关于 IBM 实现的信息也适合于除 AIX 之外的平台，因此如果您在 Linux 上使用 IBM Developer Kit for Java，或使用 IBM 32-bit Runtime Environment for Windows，您会发现这篇文章也有用处）。
本机内存简介
我将首先解释一下操作系统和底层硬件给本机内存带来的限制。如果您熟悉使用 C 等语言管理动态内存，那么您可以直接跳到 下一节。
硬件限制
本机进程遇到的许多限制都是由硬件造成的，而与操作系统没有关系。每台计算机都有一个处理器和一些随机存取存储器（RAM），后者也称为物理内存。处理器将数据流解释为要执行的指令，它拥有一个或多个处理单元，用于执行整数和浮点运算以及更高级的计算。处理器具有许多寄存器 —— 常快速的内存元素，用作被执行的计算的工作存储，寄存器大小决定了一次计算可使用的最大数值。
处 理器通过内存总线连接到物理内存。物理地址（处理器用于索引物理 RAM 的地址）的大小限制了可以寻址的内存。例如，一个 16 位物理地址可以寻址 0x0000 到 0xFFFF 的内存地址，这个地址范围包括 2^16 = 65536 个惟一的内存位置。如果每个地址引用一个存储字节，那么一个 16 位物理地址将允许处理器寻址 64KB 内存。
处理器被描述 为特定数量的数据位。这通常指的是寄存器大小，但是也存在例外，比如 32 位 390 指的是物理地址大小。对于桌面和服务器平台，这个数字为 31、32 或 64；对于嵌入式设备和微处理器，这个数字可能小至 4。物理地址大小可以与寄存器带宽一样大，也可以比它大或小。如果在适当的操作系统上运行，大部分 64 位处理器可以运行 32 位程序。
表 1 列出了一些流行的 Linux 和 Windows 架构，以及它们的寄存器和物理地址大小：

表 1. 一些流行处理器架构的寄存器和物理地址大小

架构
寄存器带宽（位）
物理地址大小（位）

（现代）Intel® x86
32 32
36，具有物理地址扩展（Pentium Pro 和更高型号）

x86 64
64 目前为 48 位（以后将会增大）

PPC64
64 在 POWER 5 上为 50 位

390 31 位
32 31

390 64 位
64 64

操作系统和虚拟内存
如果您编写无需操作系统，直接在处理器上运行的应用程序，您可以使用处理器可以寻址的所有内存（假设连接到了足够的物理 RAM）。但是要使用多任务和硬件抽象等特性，几乎所有人都会使用某种类型的操作系统来运行他们的程序。
在 Windows 和 Linux 等多任务操作系统中，有多个程序在使用系统资源。需要为每个程序分配物理内存区域来在其中运行。可以设计这样一个操作系统：每个程序直接使用物理内存，并 且可以可靠地仅使用分配给它的内存。一些嵌入式操作系统以这种方式工作，但是这在包含多个未经过集中测试的应用程序的环境中是不切实际的，因为任何程序都 可能破坏其他程序或者操作系统本身的内存。
虚拟内存 允许多个进程共享物理内存，而且不会破坏彼此的数据。在具有虚拟内存的操作系统（比如 Windows、Linux 和许多其他操作系统）中，每个程序都拥有自己的虚拟地址空间 —— 一个逻辑地址区域，其大小由该系统上的地址大小规定（所以，桌面和服务器平台的虚拟地址空间为 31、32 或 64 位）。进程的虚拟地址空间中的区域可被映射到物理内存、文件或任何其他可寻址存储。当数据未使用时，操作系统可以在物理内存与一个交换区域 （Windows 上的页面文件 或者 Linux 上的交换分区）之间移动它，以实现对物理内存的最佳利用率。当一个程序 尝试使用虚拟地址访问内存时，操作系统连同片上硬件会将该虚拟地址映射到物理位置，这个位置可以是物理 RAM、一个文件或页面文件/交换分区。如果一个内存区域被移动到交换空间，那么它将在被使用之前加载回物理内存中。图 1 展示了虚拟内存如何将进程地址空间区域映射到共享资源：

程序的每个实例以进程 的形式运行。在 Linux 和 Windows 上，进程是一个由受操作系统控制的资源（比如文件和套接字信息）、一个典型的虚拟地址空间（在某些架构上不止一个）和至少一个执行线程构成的集合。
虚 拟地址空间大小可能比处理器的物理地址大小更小。32 位 Intel x86 最初拥有的 32 位物理地址仅允许处理器寻址 4GB 存储空间。后来，添加了一种称为物理地址扩展（Physical Address Extension，PAE）的特性，将物理地址大小扩大到了 36 位，允许安装或寻址至多 64GB RAM。PAE 允许操作系统将 32 位的 4GB 虚拟地址空间映射到一个较大的物理地址范围，但是它不允许每个进程拥有 64GB 虚拟地址空间。这意味着如果您将大于 4GB 的内存放入 32 位 Intel 服务器中，您将无法将所有内存直接映射到一个单一进程中。
地址窗口扩展（Address Windowing Extension）特性允许 Windows 进程将其 32 位地址空间的一部分作为滑动窗口映射到较大的内存区域中。Linux 使用类似的技术将内存区域映射到虚拟地址空间中。这意味着尽管您无法直接引用大于 4GB 的内存，但您仍然可以使用较大的内存区域。
内核空间和用户空间
尽管每个进程都有其自己的地址空间，但程序通常无法使用所有这些空间。地址空间被划分为用户空间 和内核空间。内核是主要的操作系统程序，包含用于连接计算机硬件、调度程序以及提供联网和虚拟内存等服务的逻辑。
作为计算机启动序列的一部分，操作系统内核运行并初始化硬件。一旦内核配置了硬件及其自己的内部状态，第一个用户空间进程就会启动。如果用户程序需要来自操作系统的服务，它可以执行一种称为系统调用 的操作与内核程序交互，内核程序然后执行该请求。系统调用通常是读取和写入文件、联网和启动新进程等操作所必需的。
当 执行系统调用时，内核需要访问其自己的内存和调用进程的内存。因为正在执行当前线程的处理器被配置为使用地址空间映射来为当前进程映射虚拟地址，所以大部 分操作系统将每个进程地址空间的一部分映射到一个通用的内核内存区域。被映射来供内核使用的地址空间部分称为内核空间，其余部分称为用户空间，可供用户应 用程序使用。
内核空间和用户空间之间的平衡关系因操作系统的不同而不同，甚至在运行于不同硬件架构之上的同一操作系统的各个实例 间也有所不同。这种平衡通常是可配置的，可进行调整来为用户应用程序或内核提供更多空间。缩减内核区域可能导致一些问题，比如能够同时登录的用户数量限制 或能够运行的进程数量限制。更小的用户空间意味着应用程序编程人员只能使用更少的内存空间。
默认情况下，32 位 Windows 拥有 2GB 用户空间和 2GB 内核空间。在一些 Windows 版本上，通过向启动配置添加 /3GB 开关并使用/LARGEADDRESSAWARE 开关重新链接应用程序，可以将这种平衡调整为 3GB 用户空间和 1GB 内核空间。在 32 位 Linux 上，默认设置为 3GB 用户空间和 1GB 内核空间。一些 Linux 分发版提供了一个 hugemem 内核，支持 4GB 用户空间。为了实现这种配置，将进行系统调用时使用的地址空间分配给内核。通过这种方式增加用户空间会减慢系统调用，因为每次进行系统调用时，操作系统必 须在地址空间之间复制数据并重置进程地址-空间映射。图 2 展示了 32 位 Windows 的地址-空间布局：

31 位 Linux 390 上还使用了一个独立的内核地址空间，其中较小的 2GB 地址空间使对单个地址空间进行划分不太合理，但是，390 架构可以同时使用多个地址空间，而且不会降低性能。
进 程空间必须包含程序需要的所有内容，包括程序本身和它使用的共享库（在 Windows 上为 DDL，在 Linux 上为 .so 文件）。共享库不仅会占据空间，使程序无法在其中存储数据，它们还会使地址空间碎片化，减少可作为连续内存块分配的内存。这对于在拥有 3GB 用户空间的 Windows x86 上运行的程序尤为明显。DLL 在构建时设置了首选的加载地址：当加载 DLL 时，它被映射到处于特定位置的地址空间，除非该位置已经被占用，在这种情况下，它会加载到别处。Windows NT 最初设计时设置了 2GB 可用用户空间，这对于要构建来加载接近 2GB 区域的系统库很有用 —— 使大部分用户区域都可供应用程序自由使用。当用户区域扩展到 3GB 时，系统共享库仍然加载接近 2GB 数据（约为用户空间的一半）。尽管总体用户空间为 3GB，但是不可能分配 3GB 大的内存块，因为共享库无法加载这么大的内存。
在 Windows 中使用 /3GB 开关，可以将内核空间减少一半，也就是最初设计的大小。在一些情形下，可能耗尽 1GB 内核空间，使 I/O 变得缓慢，且无法正常创建新的用户会话。尽管 /3GB 开关可能对一些应用程序非常有用，但任何使用它的环境在部署之前都应该进行彻底的负载测试。参见 参考资料，获取关于 /3GB 开关及其优缺点的更多信息的链接。
本 机内存泄漏或过度使用本机内存将导致不同的问题，具体取决于您是耗尽了地址空间还是用完了物理内存。耗尽地址空间通常只会发生在 32 位进程上，因为最大 4GB 的内存很容易分配完。64 位进程具有数百或数千 GB 的用户空间，即使您特意消耗空间也很难耗尽这么大的空间。如果您确实耗尽了 Java 进程的地址空间，那么 Java 运行时可能会出现一些陌生现象，本文稍后将详细讨论。当在进程地址空间比物理内存大的系统上运行时，内存泄漏或过度使用本机内存会迫使操作系统交换后备存 储器来用作本机进程的虚拟地址空间。访问经过交换的内存地址比读取驻留（在物理内存中）的地址慢得多，因为操作系统必须从硬盘驱动器拉取数据。可能会分配 大量内存来用完所有物理内存和所有交换内存（页面空间），在 Linux 上，这将触发内核内存不足（OOM）结束程序，强制结束最消耗内存的进程。在 Windows 上，与地址空间被占满时一样，内存分配将会失败。
同时，如果尝试使用比物理内存大的虚拟内存，显然在进程由于消 耗内存太大而被结束之前就会遇到问题。系统将变得异常缓慢，因为它会将大部分时间用于在内存与交换空间之间来回复制数据。当发生这种情况时，计算机和独立 应用程序的性能将变得非常糟糕，从而使用户意识到出现了问题。当 JVM 的 Java 堆被交换出来时，垃圾收集器的性能会变得非常差，应用程序可能被挂起。如果一台机器上同时使用了多个 Java 运行时，那么物理内存必须足够分配给所有 Java 堆。

Java 运行时如何使用本机内存
Java 运行时是一个操作系统进程，它会受到我在上一节中列出的硬件和操作系统局限性的限制。运行时环境提供的功能受一些未知的用户代码驱动，这使得无法预测在每 种情形中运行时环境将需要何种资源。Java 应用程序在托管 Java 环境中执行的每个操作都会潜在地影响提供该环境的运行时的需求。本节描述 Java 应用程序为什么和如何使用本机内存。
Java 堆和垃圾收集
Java 堆是分配了对象的内存区域。大多数 Java SE 实现都拥有一个逻辑堆，但是一些专家级 Java 运行时拥有多个堆，比如实现 Java 实时规范（Real Time Specification for Java，RTSJ）的运行时。一个物理堆可被划分为多个逻辑扇区，具体取决于用于管理堆内存的垃圾收集（GC）算法。这些扇区通常实现为连续的本机内存 块，这些内存块受 Java 内存管理器（包含垃圾收集器）控制。
堆的大小可以在 Java 命令行使用 -Xmx 和 -Xms 选项来控制（mx 表示堆的最大大小，ms 表示初始大小）。尽管逻辑堆（经常被使用的内存区域）可以根据堆上的对象数量和在 GC 上花费的时间而增大和缩小，但使用的本机内存大小保持不变，而且由 -Xmx 值（最大堆大小）指定。大部分 GC 算法依赖于被分配为连续的内存块的堆，因此不能在堆需要扩大时分配更多本机内存。所有堆内存必须预先保留。
保留本机内存与分配本机内存不同。当本机内存被保留时，无法使用物理内存或其他存储器作为备用内存。尽管保留地址空间块不会耗尽物理资源，但会阻止内存被用于其他用途。由保留从未使用的内存导致的泄漏与泄漏分配的内存一样严重。
当使用的堆区域缩小时，一些垃圾收集器会回收堆的一部分（释放堆的后备存储空间），从而减少使用的物理内存。
对于维护 Java 堆的内存管理系统，需要更多本机内存来维护它的状态。当进行垃圾收集时，必须分配数据结构来跟踪空闲存储空间和记录进度。这些数据结构的确切大小和性质因实现的不同而不同，但许多数据结构都与堆大小成正比。
即时 (JIT) 编译器
JIT 编译器在运行时编译 Java 字节码来优化本机可执行代码。这极大地提高了 Java 运行时的速度，并且支持 Java 应用程序以与本机代码相当的速度运行。
字节码编译使用本机内存（使用方式与 gcc 等静态编译器使用内存来运行一样），但 JIT 编译器的输入（字节码）和输出（可执行代码）必须也存储在本机内存中。包含多个经过 JIT 编译的方法的 Java 应用程序会使用比小型应用程序更多的本机内存。
类和类加载器
Java 应用程序由一些类组成，这些类定义对象结构和方法逻辑。Java 应用程序也使用 Java 运行时类库（比如 java.lang.String）中的类，也可以使用第三方库。这些类需要存储在内存中以备使用。
存 储类的方式取决于具体实现。Sun JDK 使用永久生成（permanent generation，PermGen）堆区域。Java 5 的 IBM 实现会为每个类加载器分配本机内存块，并将类数据存储在其中。现代 Java 运行时拥有类共享等技术，这些技术可能需要将共享内存区域映射到地址空间。要理解这些分配机制如何影响您 Java 运行时的本机内存占用，您需要查阅该实现的技术文档。然而，一些普遍的事实会影响所有实现。
从最基本的层面来看，使用更多的类将 需要使用更多内存。（这可能意味着您的本机内存使用量会增加，或者您必须明确地重新设置 PermGen 或共享类缓存等区域的大小，以装入所有类）。记住，不仅您的应用程序需要加载到内存中，框架、应用服务器、第三方库以及包含类的 Java 运行时也会按需加载并占用空间。
Java 运行时可以卸载类来回收空间，但是只有在非常严酷的条件下才会这样做。不能卸载单个类，而是卸载类加载器，随其加载的所有类都会被卸载。只有在以下情况下才能卸载类加载器：
Java 堆不包含对表示该类加载器的 java.lang.ClassLoader 对象的引用。
Java 堆不包含对表示类加载器加载的类的任何 java.lang.Class 对象的引用。
在 Java 堆上，该类加载器加载的任何类的所有对象都不再存活（被引用）。
需要注意的是，Java 运行时为所有 Java 应用程序创建的 3 个默认类加载器（ bootstrap、extension 和 application ）都不可能满足这些条件，因此，任何系统类（比如 java.lang.String）或通过应用程序类加载器加载的任何应用程序类都不能在运行时释放。
即使类加载器适合进行收集，运行时也只会将收集类加载器作为 GC 周期的一部分。一些实现只会在某些 GC 周期中卸载类加载器。
也 可能在运行时生成类，而不用释放它。许多 JEE 应用程序使用 JavaServer Pages (JSP) 技术来生成 Web 页面。使用 JSP 会为执行的每个 .jsp 页面生成一个类，并且这些类会在加载它们的类加载器的整个生存期中一直存在 —— 这个生存期通常是 Web 应用程序的生存期。
另一种生成类的常见方法是使用 Java 反射。反射的工作方式因 Java 实现的不同而不同，但 Sun 和 IBM 实现都使用了这种方法，我马上就会讲到。
当使用 java.lang.reflect API 时，Java 运行时必须将一个反射对象（比如 java.lang.reflect.Field） 的方法连接到被反射到的对象或类。这可以通过使用 Java 本机接口（Java Native Interface，JNI）访问器来完成，这种方法需要的设置很少，但是速度缓慢。也可以在运行时为您想要反射到的每种对象类型动态构建一个类。后一种 方法在设置上更慢，但运行速度更快，非常适合于经常反射到一个特定类的应用程序。
Java 运行时在最初几次反射到一个类时使用 JNI 方法，但当使用了若干次 JNI 方法之后，访问器会膨胀为字节码访问器，这涉及到构建类并通过新的类加载器进行加载。执行多次反射可能导致创建了许多访问器类和类加载器。保持对反射对象 的引用会导致这些类一直存活，并继续占用空间。因为创建字节码访问器非常缓慢，所以 Java 运行时可以缓存这些访问器以备以后使用。一些应用程序和框架还会缓存反射对象，这进一步增加了它们的本机内存占用。
JNI
JNI 支持本机代码（使用 C 和 C++ 等本机编译语言编写的应用程序）调用 Java 方法，反之亦然。Java 运行时本身极大地依赖于 JNI 代码来实现类库功能，比如文件和网络 I/O。JNI 应用程序可能通过 3 种方式增加 Java 运行时的本机内存占用：
JNI 应用程序的本机代码被编译到共享库中，或编译为加载到进程地址空间中的可执行文件。大型本机应用程序可能仅仅加载就会占用大量进程地址空间。

本机代码必须与 Java 运行时共享地址空间。任何本机代码分配或本机代码执行的内存映射都会耗用 Java 运行时的内存。

某些 JNI 函数可能在它们的常规操作中使用本机内存。GetTypeArrayElements 和 GetTypeArrayRegion 函数可以将 Java 堆数据复制到本机内存缓冲区中，以供本机代码使用。是否复制数据依赖于运行时实现。（IBM Developer Kit for Java 5.0 和更高版本会进行本机复制）。通过这种方式访问大量 Java 堆数据可能会使用大量本机堆。