引言

在一些物理內(nèi)存為8g的服務(wù)器上，主要運行一個Java服務(wù)，系統(tǒng)內(nèi)存分配如下：Java服務(wù)的JVM堆大小設(shè)置為6g，一個監(jiān)控進程占用大約600m，Linux自身使用大約800m。從表面上，物理內(nèi)存應該是足夠使用的；但實際運行的情況是，會發(fā)生大量使用SWAP(說明物理內(nèi)存不夠使用了)，如下圖所示。同時，由于SWAP和GC同時發(fā)生會致使JVM嚴重卡頓，所以我們要追問：內(nèi)存究竟去哪兒了？

要分析這個問題，理解JVM和操作系統(tǒng)之間的內(nèi)存關(guān)系非常重要。接下來主要就Linux與JVM之間的內(nèi)存關(guān)系進行一些分析。

一、Linux與進程內(nèi)存模型

JVM以一個進程（Process）的身份運行在Linux系統(tǒng)上，了解Linux與進程的內(nèi)存關(guān)系，是理解JVM與Linux內(nèi)存的關(guān)系的基礎(chǔ)。
下圖給出了硬件、系統(tǒng)、進程三個層面的內(nèi)存之間的概要關(guān)系。

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

從Linux系統(tǒng)上看，除了引導系統(tǒng)的BIN區(qū)，整個內(nèi)存空間主要被分成兩個部分：內(nèi)核內(nèi)存（Kernel space）、用戶內(nèi)存（User space）。
內(nèi)核內(nèi)存是Linux自身使用的內(nèi)存空間，主要提供給程序調(diào)度、內(nèi)存分配、連接硬件資源等程序邏輯使用。用戶內(nèi)存是提供給各個進程主要空間，Linux給各個進程提供相同的虛擬內(nèi)存空間；這使得進程之間相互獨立，互不干擾。實現(xiàn)的方法是采用虛擬內(nèi)存技術(shù)：給每一個進程一定虛擬內(nèi)存空間，而只有當虛擬內(nèi)存實際被使用時，才分配物理內(nèi)存。如下圖所示，對于32的Linux系統(tǒng)來說，一般將0～3G的虛擬內(nèi)存空間分配做為用戶空間，將3～4G的虛擬內(nèi)存空間分配為內(nèi)核空間；64位系統(tǒng)的劃分情況是類似的。

從進程的角度來看，進程能直接訪問的用戶內(nèi)存（虛擬內(nèi)存空間）被劃分為5個部分：代碼區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)、堆區(qū)、棧區(qū)、未使用區(qū)。代碼區(qū)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(shù)據(jù)區(qū)中存放了應用程序中的全局數(shù)據(jù)，靜態(tài)數(shù)據(jù)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(tài)申請的空間，屬于程序運行時直接申請、釋放的內(nèi)存資源。棧區(qū)用來存放函數(shù)的傳入?yún)?shù)、臨時變量，以及返回地址等數(shù)據(jù)。未使用區(qū)是分配新內(nèi)存空間的預備區(qū)域。

二、進程與JVM內(nèi)存模型

JVM本質(zhì)就是一個進程，因此其內(nèi)存模型也有進程的一般特點。但是，JVM又不是一個普通的進程，其在內(nèi)存模型上有許多嶄新的特點，主要原因有兩個：1.JVM將許多本來屬于操作系統(tǒng)管理范疇的東西，移植到了JVM內(nèi)部，目的在于減少系統(tǒng)調(diào)用的次數(shù)；2. Java NIO，目的在于減少用于讀寫IO的系統(tǒng)調(diào)用的開銷。 JVM進程與普通進程內(nèi)存模型比較如下圖:

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

1.用戶內(nèi)存

上圖特別強調(diào)了JVM進程模型的代碼區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)指的是JVM自身的，而非Java程序的。普通進程棧區(qū)，在JVM一般僅僅用做線程棧。JVM的堆區(qū)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(zhì)上是Java程序的代碼區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)。Java程序中類（class），會被加載到整個區(qū)域的不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中去，包括常量池、域、方法數(shù)據(jù)、方法體、構(gòu)造函數(shù)、以及類中的專用方法、實例初始化、接口初始化等。這個區(qū)域?qū)τ诓僮飨到y(tǒng)來說，是堆的一個部分；而對于Java程序來說，這是容納程序本身及靜態(tài)資源的空間，使得JVM能夠解釋執(zhí)行Java程序。

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(nèi)存對象的存儲；但是其管理方式和普通進程有本質(zhì)的區(qū)別。
普通進程在運行時給內(nèi)存對象分配空間時，比如C++執(zhí)行new操作時，會觸發(fā)一次分配內(nèi)存空間的系統(tǒng)調(diào)用，由操作系統(tǒng)的線程根據(jù)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(zhí)行delete操作時，也會觸發(fā)一次系統(tǒng)調(diào)用，通知操作系統(tǒng)對象所占用的空間已經(jīng)可以回收。
JVM對內(nèi)存的使用和一般進程不同。JVM向操作系統(tǒng)申請一整段內(nèi)存區(qū)域（具體大小可以在JVM參數(shù)調(diào)節(jié)）作為Java程序的堆（分為新生代和老年代）；當Java程序申請內(nèi)存空間，比如執(zhí)行new操作，JVM將在這段空間中按所需大小分配給Java程序，并且Java程序不負責通知JVM何時可以釋放這個對象的空間，垃圾對象內(nèi)存空間的回收由JVM進行。

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

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

2.內(nèi)核內(nèi)存

應用程序通常不直接和內(nèi)核內(nèi)存打交道，內(nèi)核內(nèi)存由操作系統(tǒng)進行管理和使用；不過隨著Linux對性能的關(guān)注及改進，一些新的特性使得應用程序可以使用內(nèi)核內(nèi)存，或者是映射到內(nèi)核空間。Java NIO正是在這種背景下誕生的，其充分利用了Linux系統(tǒng)的新特性，提升了Java程序的IO性能。

上圖給出了Java NIO使用的內(nèi)核內(nèi)存在linux系統(tǒng)中的分布情況。nio buffer主要包括：nio使用各種channel時所使用的ByteBuffer、Java程序主動使用ByteBuffer.allocateDirector申請分配的Buffer。而在PageCache里面，nio使用的內(nèi)存主要包括：FileChannel.map方式打開文件占用mapped、FileChannel.transferTo和FileChannel.transferFrom所需要的Cache（圖中標示 nio file）。

通過JMX可以監(jiān)控到NIO Buffer和 mapped 的使用情況，如下圖所示。不過，F(xiàn)ileChannel的實現(xiàn)是通過系統(tǒng)調(diào)用使用原生的PageCache，過程對于Java是透明的，無法監(jiān)控到這部分內(nèi)存的使用大小。

Linux和Java NIO在內(nèi)核內(nèi)存上開辟空間給程序使用，主要是減少不要的復制，以減少IO操作系統(tǒng)調(diào)用的開銷。例如，將磁盤文件的數(shù)據(jù)發(fā)送網(wǎng)卡，使用普通方法和NIO時，數(shù)據(jù)流動比較下圖所示：

將數(shù)據(jù)在內(nèi)核內(nèi)存和用戶內(nèi)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(nèi)核內(nèi)存和用戶內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)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(nèi)核內(nèi)存對于Java程序性能也非常重要，因此，在劃分系統(tǒng)內(nèi)存使用時候，一定要給內(nèi)核留出一定可用空間。

三、案例分析

1.內(nèi)存分配問題

通過上面的分析，省略比較小的區(qū)域，可以總結(jié)JVM占用的內(nèi)存：
JVM內(nèi)存 ≈ Java永久代 ＋ Java堆(新生代和老年代) ＋ 線程棧＋ Java NIO

回到文章開頭提出的問題，原來的內(nèi)存分配是：6g(java堆) ＋ 600m(監(jiān)控) ＋ 800m(系統(tǒng))，剩余大約600m內(nèi)存未分配。

現(xiàn)在分析這600m內(nèi)存的分配情況：
(1)Linux保留大約200m，這部分是Linux正常運行的需要，
(2)Java服務(wù)的線程數(shù)量是160個，JVM默認的線程棧大小是1m，因此使用160m內(nèi)存，
(3)Java NIO buffer，通過JMX查到最多占用了200m，
(4)Java服務(wù)使用NIO大量讀寫文件，需要使用PageCache，正如前面分析，這個暫時不好定量估算大小。
前三項加起來已經(jīng)560m，因此可以斷定Linux物理內(nèi)存不夠使用。

細心的人會發(fā)現(xiàn)，引言中給出兩個服務(wù)器，一個SWAP最多占用了2.16g，另外一個SWAP最多占用了871m；但是，似乎我們的內(nèi)存缺口沒有那么大。事實上，這是由于SWAP和GC同時進行造成的，從下圖可以看到，SWAP的使用和長時間的GC在同一時刻發(fā)生。

SWAP和GC同時發(fā)生會導致GC時間很長，JVM嚴重卡頓，極端的情況下會導致服務(wù)崩潰。原因如下：JVM進行GC時，時需要對相應堆分區(qū)的已用內(nèi)存進行遍歷；假如GC的時候，有堆的一部分內(nèi)容被交換到SWAP中，遍歷到這部分的時候就需要將其交換回內(nèi)存，同時由于內(nèi)存空間不足，就需要把內(nèi)存中堆的另外一部分換到SWAP中去；于是在遍歷堆分區(qū)的過程中，(極端情況下)會把整個堆分區(qū)輪流往SWAP寫一遍。Linux對SWAP的回收是滯后的，我們就會看到大量SWAP占用。

上述問題，可以通過減少堆大小，或者增加物理內(nèi)存解決。

因此，我們得出一個結(jié)論：部署Java服務(wù)的Linux系統(tǒng)，在內(nèi)存分配上，需要避免SWAP的使用；具體如何分配需要綜合考慮不同場景下JVM對Java永久代 、Java堆(新生代和老年代)、線程棧、Java NIO所使用內(nèi)存的需求。

2.內(nèi)存泄漏問題

另一個案例是，8g內(nèi)存的服務(wù)器，Linux使用800m，監(jiān)控進程使用600m，堆大小設(shè)置4g；系統(tǒng)可用內(nèi)存有2.5g左右，但是也發(fā)生了大量的SWAP占用。
分析這個問題如下：
(1)在這個場景中， Java永久代 、Java堆(新生代和老年代)、線程棧所用內(nèi)存基本是固定的，因此，占用內(nèi)存過多的原因就定位在Java NIO上。
(2)根據(jù)前面的模型，Java NIO使用的內(nèi)存主要分布在Linux內(nèi)核內(nèi)存的System區(qū)和PageCache區(qū)。查看監(jiān)控的記錄，如下圖，我們可以看到發(fā)生SWAP之前，也就是物理內(nèi)存不夠使用的時候，PageCache急劇縮小。因此，可以定位在System區(qū)的Java NIO Buffer發(fā)生內(nèi)存泄漏。

(3)由于NIO的DirectByteBuffer需要在GC的后期被回收，因此連續(xù)申請DirectByteBuffer的程序，通常需要調(diào)用System.gc()，避免長時間不發(fā)生FullGC導致引用在old區(qū)的DirectByteBuffer內(nèi)存泄漏。分析到此，可以推斷有兩種可能的原因：第一，Java程序沒有在必要的時候調(diào)用System.gc()；第二，System.gc()被禁用。
(4)最后是要排查JVM啟動參數(shù)和Java程序的DirectByteBuffer使用情況。在本例中，查看JVM啟動參數(shù)，發(fā)現(xiàn)啟用了-XX:+DisableExplicitGC導致System.gc()被禁用。

四、總結(jié)

本文詳細分析了Linux與JVM的內(nèi)存關(guān)系，比較了一般進程與JVM進程使用內(nèi)存的異同點，理解這些特性將對Linux系統(tǒng)內(nèi)存分配、JVM調(diào)優(yōu)、Java程序優(yōu)化有幫助。限于篇幅關(guān)系僅僅列舉兩個案例，希望起到拋磚引玉的作用。

參考

1. http://www.ibm.com/developerworks/library/j-nativememory-linux/
2. http://www.ibm.com/developerworks/library/l-kernel-memory-access/
3. http://www.ibm.com/developerworks/library/j-zerocopy/
4. 《深入分析Java Web技術(shù)內(nèi)幕》
   
   本文轉(zhuǎn)載自：https://tech.meituan.com/linux-jvm-memory.html