深入理解Java虚拟机----第二章：Java内存区域与内存溢出异常

目录

第一章：走进Java
第二章：Java内存区域与内存溢出异常
第三章：垃圾收集器与内存分配策略
第四章：虚拟机性能监控与故障处理
第五章：调优案例分析与实战
第六章：类文件结构
第七章：虚拟机类加载机制
第八章：虚拟机字节码执行引
第九章：类加载及其执行子系统的案例与实战
第十章：早期（编译器）优化
第十一章：晚期（运行期）优化
第十二章：Java内存模型与线程
第十三章：线程安全与锁优化

第二章：Java内存区域与内存溢出异常

2.2运行时数据区域

2.2.1 程序计数器（Program Counter Register）

• 概述：一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的 行号指示器
• 作用：通过改变计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。（分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等）基础功能都依赖与其完成。
• 特点：
  1.线程私有，每条线程都需要有一个独立的程序计数器。
  2.无内存溢出：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（Undefined）。此内存区域是唯一一个在 Java 虚拟机程序规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

2.2.2 Java 堆（Java Heap）

• Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块区域。
• 唯一的目的存放对象实例。
• 被所有线程共享，在虚拟机启动时创建。

• 异常：OutOfMemoryError

• 内存：可物理上不连续，逻辑上连续。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过 -Xmx 和 -Xms 控制）。

还可细分为：新生代和老年代

再细致点分：Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间

Reminde
随着 JIT 编译器的发展与逃逸分析技术成熟，栈上分配、标量替换 等优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也变得不那么绝对了。

2.2.3 Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

• 概述：描述 Java 方法执行的内存模型，每个方法从调用直至执行的过程，对应着一个 栈帧 在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
• 作用：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧，用户存储局部变量表、操作数站、动态链接、方法出口等信息，方法调用到完成，对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程
• 特点：
  1.线程私有。
  2.生命周期与线程相同。

- 局部变量表

• 概述：存放了编译期间可知的各种基本数据类型（8种）、对象引用、returnAddress 类型（指向一条字节码指令的地址）。
• 占用空间：64位长度的 long 和 double 占用 2 个局部变量空间
• 分配时机：在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法所需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

对象引用

• 概述：reference 类型，指向一条字节码指令的地址，它不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置。

异常

• StackOverflowError：线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度
• OutOfMemoryError无法申请到足够的内存

2.2.4 本地方法栈（Native Method Stack）

• 概述：与虚拟机栈类似，是为虚拟机使用到的 Native 方法服务的内存区域。

• 区别：

  虚拟机栈：为虚拟机执行 Java 方法（字节码）服务。

  本地方法栈：为虚拟机使用到的 Native 方法服务。

• 异常：与虚拟机栈一致。

2.2.5 方法区（Method Area）

• 作用：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。

• 特点：线程共享。

• 异常

  OutOfMemoryError： 当方法区无法满足内存分配需求时，抛出该异常。

• 内存：Java 虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和 Java 堆一样不需要连续的内存空间和可以选择固定大小或者可扩展外，可以选择不实现垃圾收集。

相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，这个区域的内存回收目标主要是针对 常量池的回收 和 类型的卸载。

2.2.6 运行时常量池（Runtime Constant Pool）

• 概述：方法区的一部分。Class 文件中除了有类的（版本、字段、方法、接口）等描述信息外，还有一项信息就是常量池。
• 作用：用于存放编译器生成的各种 字面量 和 符号引用。
• 动态性：运行期间也可以将新的常量放入池中，这种特性用的比较广泛的便是 String 类的 intern() 方法。
• 异常：OutOfMemoryError：常量池无法再申请到内存时

2.2.7 - 直接内存（Direct Memory）

• 概述：不是虚拟机运行时数据区的一部分

• 作用：在 JDK1.4 中新加入了 NIO（New Input/Output） 类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的 I/O 方式，它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。避免了在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据。

• 异常：

  OutOfMemoryError：受到物理内存限制，动态扩展时无法申请到内存时

2.3 HotSpot 虚拟机对象探秘

阐述HotSpot 虚拟机堆中对象分配、布局和访问的全过程。

2.3.1 - 对象的创建

• 通过 new 关键字，创建对象分以下几个步骤：

类加载

• 检查指令参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。没有就执行类加载

分配内存

• 为对象分配内存区域(指针碰撞 & 空闲列表)
  
  • 指针碰撞： Java 堆中内存绝对规整，用过内存和空闲内存分两边，中间放指针指示器，分配内存就把指针向空闲那边挪动一段与对象大小相等的距离。
  • 空闲列表（Free List）： Java 堆中内存不是规整就无法指针碰撞，虚拟机就必须维护一个列表，记录可用的内存块，分配时从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录。

选择哪种分配方式由 Java 堆是否规整决定，而 Java 堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。因此，在使用 Serial、ParNew 等带 Compact 过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，而使用 CMS 这种基于 Mark-Sweep 算法的收集器时，通常采用空闲列表。

同步控制

• 线程安全（1.对分配内存空间的动作同步；2.本地分配缓冲TLAB）
  
  • 对分配内存空间的动作进行同步处理，采用 CAS 配上失败重试 的方式保证更新操作的原子性。
• 方案二：将内存分配的动作按照线程划分在不同的空间中进行，每个线程在 Java 堆中预先分配一小块内存，称为 本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer, TLAB） 。哪个线程需要分配内存，就在哪个线程的 TLAB 上分配，只有 TLAB 用完并分配新的 TLAB 时，才需要同步锁定。通过 -XX:+/-UseTLAB 参数设定是否使用 TLAB。

初始化

• 内存空间初始化为零值（不包括对象头），如果使用 TLAB，这一过程就可以提前至 TLAB 分配时进行。作用：保证对象的实例字段不赋初值就直接使用

对象头（Object Header）

• 为对象头数据进行设置。（对象的实例类、类的元数据信息的地址、对象的哈希码、对象的 GC 分代年龄）

init

• 所有的字段还为零值。 调用 方法，将对象按照我们的意愿进行初始化，这样一个真正的对象才算完全产生。

2.3.2 对象的内存布局

对象在内存中存储的布局：对象头，实例数据，对齐填充

对象头（Header）

HotSpot 虚拟机的对象头包括两部分信息，存储自身的运行时数据（Mark Word） 和 类型指针。

运行时数据

• 概述：用于存储对象自身的运行时数据，如（HashCode、GC 分代年龄、锁状态标志、线程持有锁、偏向线程ID、偏向时间戳）
• 内存：对象需要存储的运行时数据很多，其实已经超出了 32位、64位 Bitmap 结构所能记录的限度，但是对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word 被设计成一个 非固定的数据结构 以便在极小的空间内存储尽量多的信息，它会根据对象的状态复用自己的存储空间。
• HotSpot 虚拟机对象头 Mark Word 表如下

存储内容	标志位	状态
对象哈希码、对象分代年龄	01	未锁定
指向锁记录的指针	00	轻量级锁定
指向重量级锁的指针	10	膨胀（重量级锁定）
空（不需要记录信息）	11	GC 标记
偏向线程 ID、偏向时间戳、对象分代年龄	01	可偏向

第二部分：类型指针

• 概述：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。

Reminder
并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，换句话说，查找对象的元数据并不一定要经过对象本身。

• 数组对象：如果对象是一个 Java 数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通 Java 对象的元数据信息确定 Java 对象的大小，但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。

实例数据（Instance Data）

• 概述：这部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型字段内容。无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的，都需要记录起来。
• 存储顺序：这部分的存储顺序会受到虚拟机 分配策略参数（FieldsAllocationStyle） 和字段在 Java 源码中定义顺序的影响。HotSpot 虚拟机默认的分配策略为 longs/doubles => ints => shorts/chars => bytes/booleans => oops（Ordinary Object Pointers），从分配策略中可以看出，相同宽度的字段总是被分配到一起。在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之前。如果 CompactFields 参数值为 true（默认为 true），那么子类之中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中。

对齐填充（Padding）

• 概述：不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。
• 原理：由于 HotSpot VM 的自动内存管理系统要求 对象起始地址必须是 8 字节的整倍数，换句话说，就是对象的大小必须是 8 字节的整倍数。而对象头部分正好是 8 字节的整倍数（ 1 倍或 2 倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

2.2.3 对象的访问定位

• 概述：建立对象是为了使用对象，我们的 Java 程序需要通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。由于 reference 类型在 Java 虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中的对象的具体位置，所以 对象访问方式也是取决于虚拟机实现而定的。目前主流的访问方式有两种。
• 句柄访问：Java 堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，reference 中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息
• 直接指针：Java 堆对象的布局中必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而 reference 中存储的直接就是对象地址
• 句柄访问：使用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（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而 reference 本身不需要修改。
• 指针访问：使用直接访问最大的好处就是 速度快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在 Java 中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。

Sun HotSpot 使用的是第二种方式进行对象访问的，但从整个软件开发的范围来看，各种语言和框架使用句柄来访问的情况也十分常见。