JVM：自动内存管理之Java内存区域与内存溢出

本博客主要参考周志明老师的《深入理解Java虚拟机》第三版

一、Java内存区域与内存溢出异常

1、运行时数据区域

运行时数据分为七大块

先来看看JVM内存分布图

1、程序计数器

程序计数器是一个记录着当前线程所执行的字节码的行号指示器。

Java虚拟机中每条线程都有独立的程序计数器

程序计数器线程私有

1）什么是程序计数器？

程序计数器是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，在Java虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，它是程序控制流的指示器；

2）程序计数器为什么是线程私有的？

Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、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（多核处理器=>一个内核）都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要一个独立的程序计数器，每条线程之间的程序计数器互不影响，独立存储，这类内存区域为“线程私有”的内存。

3）程序计数器特点：

1. 线程隔离性，每个线程工作时都有属于自己的独立计数器。
2. 执行java方法时，程序计数器记录的是正在执行的字节码指令的地址。执行本地(native)方法时，程序计数s器的值为空（Undefined）
3. 程序计数器占用内存很小，在进行JVM内存计算时，可以忽略不计。
4. 程序计数器，是唯一一个在java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError的区域。

2、Java虚拟机栈

1）Java虚拟机栈特点

1. 虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：每个方法被执行时，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧用于存放局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕对应栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
2. Java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同
3. 如果线程请求的栈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，如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常；

2）局部变量表

1. 存放了编译器可知的各种Java虚拟机基本数据类型、对象引用（reference）、returnAddress类型

基本数据类型：boolean、byte、char、short、int、float、long、double

reference（对象实例的引用)：reference并不等同于对象本身，一个指向对象起始地址的引用指针，或指向一个对象的句柄或其他与对象相关的位置

returnAddress类型：指向了一条字节码指令的地址

1. 这些数据类型正在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，其中64位长度的long和double类型会占用两个变量槽，其余只占用一个
2. 局部变量表所需要的内存空间在编译器完成分配
   
   

3）栈帧(Stack Frame)

1. 栈帧是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构。它是虚拟机运行时数据区中的java虚拟机栈的栈元素。
2. 在JVM中栈帧只有出栈、入栈操作正在被线；程执行的方法称为当前线程方法，而该方法的栈帧就称为当前帧，执行引擎运行时只对当前栈帧有效。
3. 栈帧用于存放局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息
4. 当进入一个方法时，这个方法需要在栈帧中分配多大的局部空间是确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小（变量槽的数量）；
   
   

4）动态连接

• 每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用， 持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接。
• 在类加载阶段中的解析阶段会将符号引用转为直接引用，这种转化也称为静态解析。
• 另外的一部分将在每一次运行时期转化为直接引用。这部分称为动态连接。
  
  

3、本地方法栈

1. 本地方法栈和Java虚拟机栈发挥的作用相似，区别虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（字节码）服务；本地方法栈是是为虚拟机使用到的本地方法（Native）服务；
2. 本地方法运行的内存模型.本地方法被执行的时候,在本地方法栈也会创建一个栈帧,用于存放该本地方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、出口信息.
3. 在栈深度溢出或栈扩展失败时抛出OutOfMemoryError和StackOverflowError异常.
   
   

4、Java堆

1. Java堆是虚拟机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，虚拟机启动时被创建；
2. 在内存区域的唯一目的就是存放对象实例（“所有的对象实例以及数组都应在堆上分配”）；
3. Java堆是垃圾收集器管理的内存区域（GC堆）
4. Java堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区（TLAB）以提升对象分配的效率
5. Java堆可以处在物理上不连续的内存空间中，但在逻辑上应该被视为连续的；
6. Java堆大小可以固定也可以扩展-Xmx 和-Xms设置
7. 如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆再也无法再扩展时，Java堆将会抛出OutOfMemoryError异常
   
   

5、方法区

1. 线程共享的内存区域
2. 用于存储已被Java虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等信息
3. 《Java虚拟机规范》中把方法区描述为堆的一个逻辑部分；别名“非堆”，目的是与Java堆区分
4. 这一区域的内存回收目标主要是针对于常量池的回收和对类型的卸载
5. 如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。
   
   

6、运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分，Class文件中除了有类的版本、字段、方法接口等描述信息外，还有一项是常量池表

常量池表：用于存放编译器生成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中；

1. 除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把符号引用翻译出来的直接引用也存储在常量池中。
2. 运行时常量池相对于Class文件常量池的重要特征：具备动态性；
3. 当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常
   
   

7、直接内存

1. 直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分。
2. JDK1.4中新引入了NIO类，引入了一种基于通道与缓存区的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堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作
3. 本机直接内存的分配不会受到Java堆的限制，但会受到本机总内存大小及处理器寻址空间的限制，从而导致扩展时出现OutOfMemoryError异常

2、HotSpot虚拟机对象探秘

1、对象的创建

1）当Java虚拟机遇到一条字节码new指令时

1. 检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并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
2. 如果没有必须执行相应的类加载过程
3. 类加载完成后，虚拟机将为新生对象分配内存，对象所需内存的大小在类加载完成后便可以确定==>分配方法
4. 内存分配完成后，虚拟机将分配到的内存空间（不包括对象头）都初始化为零值
5. Java虚拟机为对象进行必要设置：对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、哈希值，GC分代信息
6. new指令

2）Java对象空间内存分配方法

Java对象分配空间的任务实际上等同于把一块确定大小的内存块从Java堆中划分出来

1. 指针碰撞

假设Java堆内存是规整的，所有用过的内存放一边，空闲的方另外一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那么分配内存时就只需将指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式就称为“指针碰撞”。

1. 空闲列表

如果Java堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存是可用的，在分配的时候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，这种分配方式称为“空闲列表”。

1. 对象创建在虚拟机中是频繁的行为，即使仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下线程不安全

    a. 对分配内存空间的动作进行同步处理，实际上虚拟机是采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性
   
    b. 把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间中进行，本地线程分配缓冲
   

2、对象的内存布局

对象在堆内存中的存储布局可以分为：对象头、实例数据、对齐填充

1）对象头

HotSpot虚拟机对象的对象头部分包含两类信息

1、用于存储对象自身的运行时数据

如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有锁、偏向线程ID、偏向时间戳等。这部分数据的长度在32和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32个比特和64个比特；

2、类型指针

对象指向它的类型元数据的指针，Java虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。

2）实例数据

实例数据部分是对象真正存储的有效信息，即我们在程序代码里所定义的各种类型的字段内容，无论是从父类集成下来的，还是子类中定义的字段都必须记录起来。

HostSpot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之中。

3）对齐填充

这部分不是必然存在的，没有特别含义，仅仅起着占位符的作用；如果对象实例数据部分没有对齐的话，就需要通过对齐填充来补全；

3、对象的访问定位

创建对象自然为了后续使用该对象，Java程序通过栈上的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使用句柄和直接指针两种。

1）如果使用句柄访问

句柄地址 -> 句柄池 -> 对象实例数据

如果使用句柄访问的话，那么Java堆中将会划分出一块儿内存作为句柄池，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的地址信息。

2）如果使用直接指针访问

如果使用直接指针访问，那么Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的具体信息，而reference中存储的直接就是对象地址，如果只是访问对象本身，就不需要多一次间接访问的开销

3）句柄访问和直接指针访问对比

使用句柄来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;

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，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。