Java程式使用的虛擬記憶體確實比Java Heap要大很多。JVM包括很多子系統：垃圾收集器、類載入系統、JIT編譯器等等，這些子系統各自都需要一定數量的RAM才能正常工作。

當一個Java程式執行時，也不僅僅是JVM在消耗RAM，很多本地庫（Java類庫中引用的本地庫）可能需要分配原生記憶體，這些記憶體無法被JVM的Native Memory Tracking機制監控到。Java應用自身也可能通過DirectByteBuffers等類來使用堆外記憶體。

那麼，當一個Java程式執行時，有哪些部分在消耗記憶體呢？這裡我們只展示哪些可以被Native Memory Tracking監控到的部分。

一、JVM部分

Java Heap： 最明顯的部分，Java物件在這個區域分配和回收，Heap的最大值由-Xmx決定。

Garbage Collector：GC的資料結構和演演算法需要額外的記憶體對堆記憶體進行管理。這些資料結構包括：Mark Bitmap、Mark Stack（用於跟蹤存活的物件）、Remembered Sets（用於記錄region之間的引用）等等。這些資料結構中的一些是可以直接調整的，例如：-XX:MarkStackSizeMax，其他的則依賴於堆的分佈，例如：分割槽大小，-XX:G1HeapRegionSize，這個值越大Remembered Sets的值越小。不同的GC演演算法需要的額外記憶體是不同的，-XX:+UseSerialGC和-XX:+UseShenandoahGC需要較小的額外記憶體，G1和CMS則需要Heap size的10%作為額外記憶體。

Code Cache：用於存放動態生成的程式碼：JIT編譯的方法、攔截器和執行時存根。這個區域的大小由-XX:ReservedCodeCacheSize確定（預設是240M）。使用-XX-TieredCompilation關掉多層編譯，可以減少需要編譯的程式碼，從而減少Code Cache的使用。

Compiler：JIT編譯器需要一些記憶體來才能工作。這個值可以通過關閉多層編譯或減少執行編譯的執行緒數（-XX:CICompilerCount）來調整.

Class loading：類的元資料（方法的位元組碼、符號表、常量池、註解等）被存放在off-heap區域，也叫Metaspace。當前JVM程式載入了越多的類，就會使用越多的metaspace。通過設定-XX:MaxMetaspaceSize（預設是無限）或-XX:CompressedClassSpaceSize（預設是1G）可以限制元空間的大小

Symbol tables：JVM中維護了兩個重要的雜湊表：Symbol表包括類、方法、介面等語言元素的名稱、簽名、ID等，String table記錄了被interned過的字串的引用。如果Native Tracking表明String table使用了很大的記憶體，那麼說明該Java應用存在對String.intern方法的濫用。

Threads：執行緒棧也會使用RAM，棧的大小由-Xss確定。預設是1個執行緒最大有1M的執行緒棧，幸運得失事情並沒有這麼糟糕——OS使用惰性策略分配記憶體頁，實際上每個Java執行緒使用的RAM很小（一般80~200K），作者使用這個指令碼（https://github.com/apangin/jstackmem）來統計有多少RSS空間是屬於Java執行緒的。

二、堆外記憶體（Direct buffers）

Java應用可以通過ByteBuffer.allocateDirect顯式申請堆外記憶體；預設的堆外記憶體大小是-Xmx，但是這個值可被-XX:MaxDirectMemorySize覆蓋。在JDK11之前，Direct ByteBuffers被NMT（Native Memory Tracking）列舉在other部分，可以通過JMC觀察到堆外記憶體的使用情況。

除了DirectByteBuffers，MappedByteBuffers也會使用本地記憶體，MappedByteBuffers的作用是將檔案內容對映到程式的虛擬記憶體中，NMT沒有跟蹤它們，想要限制這部分的大小並不容易，可以通過pmap -x 命令觀察當前程式使用的實際大小：

Address           Kbytes    RSS    Dirty Mode  Mapping
...
00007f2b3e557000   39592   32956       0 r--s- some-file-17405-Index.db
00007f2b40c01000   39600   33092       0 r--s- some-file-17404-Index.db複製程式碼

三、本地庫（Native libraries）

由System.loadLibrary載入的JNI程式碼也會按需分配RAM，並且這部分記憶體不受JVM管理。在這裡需要關注的是Java類庫，未關閉的Java資源會導致本地記憶體洩漏，典型的例子是：ZipInputStream或DirectoryStream。

JVMTI agent，特別是jdwp除錯agent，也可能導致記憶體的過量使用（PS：去年寫memory agent程式碼造成的記憶體洩漏記憶猶新）。

四、Allocator issues

一個Java程式可以通過系統呼叫（mmap）或標準庫（malloc）方法來向OS申請記憶體。malloc自己又通過mmap來向OS申請比較大的記憶體，並通過自己的演演算法來管理這些記憶體，這可能會導致記憶體碎片，從而導致過量使用虛擬記憶體。jemalloc是另外一個記憶體分配器，它比常規的malloc分配器需要更少的footprint，因此可以在自己的C++程式碼中嘗試使用jemalloc方法。

結論

無法準確統計一個Java程式使用的虛擬記憶體，因為有太多因素需要考慮，列舉如下：

Total memory = Heap + Code Cache + Metaspace + Symbol tables +
               Other JVM structures + Thread stacks +
               Direct buffers + Mapped files +
               Native Libraries + Malloc overhead + ...複製程式碼

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