深入理解Java虚拟学习笔记(一)——Java内存区域与内存溢出异常

参考资料：

以下内容均摘自周志明先生的《深入理解Java虚拟机》，仅作为博主个人回忆复习的材料，建议大家在学习过程中，做必要的摘录，形成自己的笔记，以便于后续的温习回忆。与君共勉，共同进步。

一. Java虚拟机内存区域的划分：

1. Java虚拟机所管理的内存包括以下几个运行时数据区域：方法区，虚拟机栈，本地方法栈，堆，程序计数器。
2. 【程序计数器】：是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Native方法，这个计数器值则为空。
3.  每条线程都需要一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称为“线程私有”的内存。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。
4. Java虚拟机是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。
5. 【Java虚拟机栈】：线程私有，它的生命周期与线程相同。描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行时都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息。每个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
6. 如果线程请求的深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展，如果动态扩展的时候无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。
7. 【本地方法栈】：与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，他们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。
8. 【Java堆】：Java虚拟机中所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动的时候创建。此内存的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。Java对可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。
9. 【方法区】：各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息，常量，静态变量，即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它有一个别名叫做：Non_Heap（非堆）。运行时常量池是方法区的一部分，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。
10. 直接内存，不是虚拟机运行时数据区的一部分，但是受到本机总内存大小等影响，可能在动态扩展的时候后出现OutOfMemoryError异常。

二．HotSpot对象的创建，内存布局，与访问定位

1. 分配内存的方式有两种：指针碰撞和空闲列表。虚拟机采用的垃圾收集器是否带有压缩整理的功能决定了Java堆是否规整，Java堆是否规整决定了采用的分配内存的方式。
2. 指针碰撞分配内存的线程安全问题：一种是对分配内存空间的动作进行同步处理，实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；另一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在Java对中预先分配一小块内存，称为本地线程缓冲（TLAB）。只有TLAB用完并分配新的TLAB时才需要同步锁定。
3. HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头，实例数据，对齐填充；
4. 【对象头】：一部分存储的是对象自身的运行数据（Mark Word），这部分数据长度在32位和64位虚拟机(未开启压缩指针)中，分别是32Bit和64Bit。另一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。（不是所有的虚拟机都需要在对象头上保留类型指针）
5. 【实例数据】：是对象存储的真正有效的信息，也是程序代码中所定义的各种类型的字段内容。
6. 【对齐填充】：不是必然存在的，也没有什么特别的含义，他仅仅起着占位符的作用。这是由于HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象的起始地址必须是8字节的整数倍。也就是对象的大小必须是8字节的整数倍。
7. 对象的访问方式取决于虚拟机的实现：主流的有使用句柄和直接指针两种。
8. 句柄访问的最大好处：就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（比如垃圾回收）时，只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改；使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销。

三．OutOfMemoryError异常

1. 在Java虚拟机规范描述中，除了程序计数器之外，虚拟机内存的其他几个运行时区域都有可能发生OOM。
2. 【虚拟机参数】：

   （1）-Xmx：JVM最大可用内存；-Xms：JVM初始内存。设置-Xmx和-Xms相同，可以避免JVM垃圾回收之后JVM重新分配内存。

   （2）-XX.PermSize和-XX:MaxPermSize设置方法区的大小；

   （3）-Xss参数设置虚拟机栈的大小；-Xoss参数设置本地方法栈大小（HotSpot中无效）

   （4）-XX：+HeapDumpOnOutOfMemoryError：可以让虚拟机在出现内存溢出异常时，Dump出当前的内存堆转储快照以便于分析；

   （5）-XX：MaxDirectMemorySize可以指定本机直接内存，不指定的话则默认与Java堆最大值一致。

   （6）-verbose:class和-XX：+TraceClassLoading可以在Product版中的虚拟机中使用；

   （7）-XX：+TraceClassUnLoading参数需要FastDebug版的虚拟机支持；

   （8）-Xmn10M，代表10MB分配给新生代。

3. OutOfMemoryError异常的原因，需要先确认内存中的对象是否是有必要的，也就是要先分清楚到底是出现了内存泄露（Memory Leak）还是内存溢出（Memory Overflow）。如果是内存泄露，需要通过工具查看泄露对象到GC Roots的引用链。如果不存在内存泄露，也就是内存中的对象必须还活着，就应当检查虚拟机的堆参数等。一次的内存泄露危害可能不会太大，但是大量的内存泄露堆积会导致内存溢出。
4. 在HotSpot虚拟机中并不区分虚拟机栈和本地方法栈。因此，对于HotSpot来说，虽然-Xoss参数（设置本地方法栈大小）存在，但是实际上无效，栈容量只由-Xss参数设定。
5. 在单个线程下，无论是由于栈帧太大还是虚拟机栈容量太小，当内存无法分配的时候，虚拟机都是抛出StackOverflowError异常。
6. 方法区用于存放Class的相关信息，比如类名，访问修饰符，常量池，字段描述，方法描述等。对于这些区域的测试，基本思路就是运行时产生大量的类去填满方法区，直到溢出。
7. 直接内存溢出，一个明显的特征是在Heap Dump文件中不会看见明显的异常，如果发现OOM之后Dump文件很小，而程序中有直接或者间接的使用了NIO，可以考虑一下。