深入理解Jvm（一）--内存理解
一、Java内存区域理解
Java与C++之间有一堵由内存动态分配（加载）和垃圾收集技术所围成的高墙，墙外面的1人想进去，墙内边的人想出去。
1.Jvm内存：
- Jvm在执行java程序的过程中会把Jvm所管理的内存划分为若干个不同数据区域。 方法区 Method Area、虚拟机栈VM Stack、本地方法栈Native Method Stack、堆Heap、程序计数器Program Counter Register。
- 注：方法区、堆运行时所有数据是线程共享的。栈、本地栈、程序计数器运行时所有数据是线程独享的。
- Person：存放在元空间，也可以说方法区；
- person：存放在Java栈的局部变量表中；
- new Person()：存放在Java堆中。
2.方法区：1.7永久代(堆)、1.8元空间(本地内存） https://www.jianshu.com/p/87354570f362
方法区的定义：方法区是Jvm规范中定义的规范，主要用于存储已被虚拟机加载的【Class】类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等。其大小可通过参数调节。
方法区的垃圾回收：方法区的垃圾收集主要回收两部分内容：常量池中废弃的常量和不再使用的类型。
类型信息：对每个加载的类型（类class、接口interface、枚举enum、注解annotation），JVM必须在方法区中存储以下类型信息：
1）这个类型的完整有效名称（全名=包名.类名）。
2）这个类型直接父类的完整有效名（对于interface或是java.lang.object，都没有父类）。
3）这个类型的修饰符（public，abstract，final的某个子集）。
4）这个类型直接接口的一个有序列表。
域信息：JVM必须在方法区中保存类型的所有域的相关信息以及域的声明顺序：
1）域的相关信息包括：域名称、域类型、域修饰符（public，private，protected，static，final，volatile，transient的某个子集）。
方法信息：JVM必须保存所有方法的以下信息，同域信息一样包括声明顺序：
1）方法名称
2）方法的返回类型（或void）
3）方法参数的数量和类型（按顺序）
4）方法的修饰符（public，private，protected，static，final，synchronized，native，abstract的一个子集）
5）方法的字节码（bytecodes）、操作数栈、局部变量表及大小（abstract和native方法除外）
6）异常表（abstract和native方法除外），每个异常处理的开始位置、结束位置、代码处理在程序计数器中的偏移地址、被捕获的异常类的常量池索引
静态类变量：静态变量和类关联在一起，随着类的加载而加载，他们成为类数据在逻辑上的一部分。
1）静态类变量被类的所有实例共享，即使没有类实例时，你也可以访问它。
方法区的实现：JDK1.7及以前：Hotspot虚拟机对方法区的实现是永久代，方法区和永久代的关系就类比如Java中的接口和实现类。永久代就是HotSpot虚拟机对Jvm虚拟机规范中方法区的一种实现方式。此时的方法区是堆的逻辑组成部分。《Java虚拟机规范》中明确说明：“尽管所有的方法区在逻辑上是属于堆的一部分，但一些简单的实现可能不会选择去进行垃圾收集或者进行压缩。”但对于 HotSpotJVM 而言，方法区还有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的就是要和堆分开。所以，方法区看作是一块独立于Java堆的内存空间。
JDK1.7方法区（永久代）的特点：
1）方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域。
2）方法区在JVM启动的时候被创建，并且它的实际的物理内存空间中和Java堆区一样都可以是不连续的。
3）方法区的大小，跟堆空间一样，可以选择固定大小或者可扩展。
4）方法区的大小决定了系统可以保存多少个类，如果系统定义了太多的类，导致方法区溢出，虚拟机同样会抛出内存溢出错误：java.lang.OutofMemoryError：PermGen space 或者java.lang.OutOfMemoryError:Metaspace。
5）关闭JVM就会释放这个区域的内存。
方法区的实现：JDK1.8：Hotspot虚拟机对方法区的实现是元空间，以前的方法区实现永久代是在Jvm分配的内存中，且设置好的固定大小，所以溢出的可能性比较大。JDK1.8方法区的实现是元空间，不在虚拟机内存中，而是使用本地内存。降低了内存溢出。-XX：MaxMetaspaceSize标志设置最大元空间大小，默认值为 unlimited，这意味着它只受系统内存的限制。-XX：MetaspaceSize调整标志定义元空间的初始大小如果未指定此标志，则 Metaspace 将根据运行时的应用程序需求动态地重新调整大小。
永久代和元空间最大的区别：永久代是在Jvm分配的内存中，元空间不在Jvm分配的内存中，而是使用的本地内存。方法区的大小不必设置，JVM可以根据应用的需要动态调整。
JDK1.8方法区（元空间）的特点：
1）方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域。
2）方法区的大小可以通过 -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize指定，默认是本地内存，JVM可以根据引用动态调整。
3）如果元数据区发生溢出，虚拟机一样会抛出异常OutOfMemoryError:Metaspace。
4）方法区不在与堆是连续的物理内存，而是改为使用本地内存(Native memory)。元空间使用本地内存也就意味着只要本地内存足够，就不会出现OOM的错误。
5）关闭JVM就会释放这个区域的内存。
-XX:MetaspaceSize
class metadata的初始空间配额，以bytes为单位，达到该值就会触发垃圾收集进行类型卸载，
同时GC会对该值进行调整：如果释放了大量的空间，就适当的降低该值；如果释放了很少的空间，
那么在不超过MaxMetaspaceSize（如果设置了的话），适当的提高该值。
-XX：MaxMetaspaceSize
可以为class metadata分配的最大空间。默认是没有限制的。
-XX：MinMetaspaceFreeRatio
在GC之后，最小的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为class metadata分配空间导致的垃圾收集。
-XX:MaxMetaspaceFreeRatio
在GC之后，最大的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为class metadata释放空间导致的垃圾收集。3.程序计数器：Program Counter Register
- 字节码行号指示器：程序计数器是一块较小的内存空间，可以看成是当前线程所执行的字节码的行号指示器。
- 字节码解释器：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。计数器是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程等基础功能都需要依赖计数器来完成。
- 多线程切换控制：Jvm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。所以程序计数器会为多个线程分别分配独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储当前线程的字节码行号。
- 线程私有：程序计数器是线程私有的。
- 字节码指令地址：如果线程在执行一个java方法，那么程序计数器就记录的是当前线程所执行的字节码的行号地址，如果正在执行的是一个native方法，那此时的计数器值就为Undefined。
4.Jvm栈：Jvm stack
- 栈内存：是线程私有，栈内存的生命周期和线程相同。
- 栈帧：在这个栈内存中，Java中每个方法要运行Jvm就会创建一个栈帧，用于存储方法中的局部变量、方法出口等信息。方法开始运行到结束，对应的就是栈帧的入栈和出栈。
- 局部变量表：是栈帧内存中用于存储编译期可知的各种基本数据类型、引用数据类型(存储指针)的一块空间。存储的方式是以局部变量槽Slot来表示，其中64位长度的long和double类型占用两个槽Slot。其他各占用一个局部变量槽。
- 局部变量空间的分配：局部变量表所需要的空间在编译期间就完成了空间的计算分配，当Jvm执行一个方法时，Jvm会为这个方法分配栈帧内存，此时这个栈帧内存中需要多大的局部变量空间，就是确定的，运行时这个空间也不会改变。
- 局部变量表的存储单位：局部变量槽Slot，一个槽占用32bit还是64bit，这个取决于Jvm的配置。
5.本地方法栈：Native Method Stack
- 本地栈和Jvm栈的区别：Jvm栈是Jvm在运行Java代码是为Java代码分配的内存空间。本地栈是Jvm在运行native方法时分配的内存空间。
6.堆：Heap ：
- Heap大小占比：Jvm内存中最大的一块区域。
- 堆内存线程共享：堆内存中的数据是可以被所有线程所共享的。
- 创建时机和作用：在Jvm启动时创建堆内存，此区域唯一的作用就是存放对象实例，包括数组。
- GC管理区域：堆是Jvm垃圾回收机制管理的区域。现在的大部分垃圾回收机制都是基于分代收集理论设计，这些分代区域的划分(新生代、老年代、元空间、幸存0、幸存)仅仅是一部分垃圾回收器的共同特性或者说是设计风格，而不是某个Java虚拟机具体实现固有内存分布，更不是Jvm规范中对堆内存的划分。比如：最新Hotspot虚拟机已经出现了不采用分代设计的垃圾回收器了。
- 堆空间的再次细分：堆内存中都存储的是对象的实例，将堆进行细分只是为了更好地回收内存、或者更快的分配内存。
- 堆大小的配置：Jvm中堆的大小可以配置成固定大小，也可以配置成可扩展大小。通过-Xmx和-Xms设定。如果堆内存没有可分配的内存，也没有可扩展的内存，就会出现OutOfMemeryError异常。
7.OOM：OutOfMemoryError异常：(http://www.360doc.com/content/20/0707/21/58006001_922857147.shtml)
- Jvm规范的OOM：如果已经占用的内存+程序需要申请的内存超出了Jvm分配的最大内存，就会抛出OOM错误。
- 常见的OOM异常：
1、java.lang.StackOverflowError：栈内存异常：栈内存具有一定的深度，栈内存的大小也可以指定。
无限递归循环调用（最常见原因），要时刻注意代码中是否有了循环调用方法而无法退出的情况
方法内声明了海量的局部变量，方法中的变量存储在栈帧中的局部变量表中。
执行了大量方法，导致线程栈空间耗尽
2、java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space：堆内存：存储对象实例
请求创建一个超大对象，通常是一个大数组，堆内存大小是有限制的。
内存泄漏（Memory Leak），大量对象引用没有释放，JVM 无法对其自动回收，常见于使用了 File 等资源没有回收（程序结束Connection类的连接没有关闭，无法被GC）
超出预期的访问量/数据量，通常是上游系统请求流量飙升，常见于各类促销/秒杀活动，可以结合业务流量指标排查是否有尖状峰值。
过度使用终结器（Finalizer），该对象没有立即被 GC。
3、java.lang.OutOfMemoryError：GC overhead limit exceeded ：重复GC无效上线
- Jvm默认配置中如果进程花费98%以上的时间执行GC，但是回收的内存不到%2，且该动作连续重复5次，就会抛出重复GC上线（俗称垃圾回收上头）。简单地说，就是应用程序已经基本耗尽了所有可用内存， GC 也无法回收。假如不抛出
GC overhead limit exceeded错误，那GC清理的内存很少，很快就会被再次填满，迫使 GC 再次执行，这样恶性循环，CPU 使用率 100%，而 GC 没什么效果。4、java.lang.OutOfMemoryError：Direct buffer memory ：直接内存OOM
- 我们使用 NIO 的时候经常需要使用 ByteBuffer 来读取或写入数据，这是一种基于 Channel(通道) 和 Buffer(缓冲区)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。这样在一些场景就避免了 Java 堆和 Native 中来回复制数据，所以性能会有所提高。
- Java 允许应用程序通过 Direct ByteBuffer 直接访问堆外内存，许多高性能程序通过 Direct ByteBuffer 结合内存映射文件（Memory Mapped File）实现高速 IO。
- 如果不断分配本地内存，堆内存很少使用，那么 JVM 就不需要执行 GC，DirectByteBuffer 对象就不会被回收，这时虽然堆内存充足，但本地内存可能已经不够用了，就会出现 OOM，本地直接内存溢出。Direct Memory
5、java.lang.OutOfMemoryError：unable to create new native thread 线程数上线
- 每个 Java 线程都需要占用一定的内存空间，当 JVM 向底层操作系统请求创建一个新的 Thread线程时，如果没有足够的资源分配就会报此类错误。
6、java.lang.OutOfMemoryError：MetaSpace 元空间OOM，实质是本地内存溢出Direct Memory
- JDK 1.8 之前会出现 Permgen space，该错误表示永久代（Permanent Generation）已用满，通常是因为加载的 class 数目太多或体积太大。随着 1.8 中永久代的取消，就不会出现这种异常了。
- Metaspace 是方法区在 HotSpot 中的实现，它与永久代最大的区别在于，元空间并不在虚拟机内存中而是使用本地内存，但是本地内存也有打满的时候，所以也会有异常
8.如何解决OOM或者堆空间异常：
诊断工具：要解决OOM异常或heap space的异常，一般的手段是首先通过内存映像分析工具（如Eclipse Memory Analyzer）对dump出来的堆转储快照进行分析.
区分问题：是内存泄漏（Memory Leak）还是内存溢出（Memory Overflow）；
内存泄漏问题：就是有大量的引用指向某些对象，但是这些对象以后不会使用了，但是因为它们还和GC ROOT有关联，所以导致以后这些对象也不会被回收，这就是内存泄漏的问题。如果是内存泄漏，通过工具查看泄漏对象到GC Roots的引用链，于是就能找到泄漏对象是通过怎样的路径与GCRoots相关联并导致垃圾收集器无法自动回收它们的。掌握了泄漏对象的类型信息，以及GCRoots引用链的信息，就可以比较准确地定位出泄漏代码的位置。
内存溢出问题：如果内存溢出问题，换句话说就是内存中的对象确实都还必须存活着，那就应当检查虚拟机的堆参数（-Xmx与-Xms），与机器物理内存对比看是否还可以调大，从代码上检查是否存在某些对象生命周期过长、持有状态时间过长的情况，尝试减少程序运行期的内存消耗。
9.常量、静态变量、变量存储的内存区域：
- 常量、静态变量：都存储在方法区的常量池。存放在java堆中。因为它不是静态的变量，不会独立于类的实例而存在，而该类实例化之后，放在堆中，当然也包含了它的属性i。
- 对象中的成员属性：无论是基本类型还是引用类型都存储在堆内存中，不会独立于类的实例而存在，而是该类实例化之后就放在堆中。
- 局部变量：方法中的变量，基本类型存储在栈帧中，引用类型，引用的变量储存在栈内存中，引用的对象存储在堆内存中。方法中的变量随着入栈创建，随着出栈销毁。
10.直接内存：Direct Memory
- 直接内存并不是Jmv运行时数据区的一部分，也不是Jvm规范中定义的内存区域。但是直接内存频繁使用，也可能出现OOM异常。（见7.4）
11.常量池：
11.常量池：
Java中的常量池分为三种类型：https://blog.csdn.net/weixin_42030357/article/details/104015150 https://blog.csdn.net/luanlouis/article/details/39960815
1）类文件中常量池（The Constant Pool）也叫 Class 常量池，也叫常量池。 编译时存在于Class文件中
2）运行时常量池（The Run-Time Constant Pool） 运行时
3）String常量池 运行时
类文件常量池：也叫 Class常量池(常量池==Class常量池) 存在于Class文件中 javap -v xxx.class
1)常量池的结构：
魔数：一串固定的值，用来进行Class文件的身份认证。不使用扩展名称是更安全。
版本号：是Class文件的版本号，用来标识JDK的版本。
常量池：简单理解就是Class文件的资源库。
访问标识：是否是Public、是否是Final、是否是接口、枚举、注解、等等。
......还有更多
2）一个有效的字节码文件中除了包含类的版本信息、字段、方法以及接口等描述符信息外，还包含一项信息就是常量池表（Constant Pool Table），包括各种字面量和对类型、域和方法的符号引用。 常量池包含：数量值、字符串值、类引用、字段引用、方法引用。
3）为什么需要常量池：
一个java源文件中的类、接口，编译后产生一个字节码文件。而Java中的字节码需要数据支持，通常这种数据会很大以至于不能直接存到字节码里，换另一种方式，可以存到常量池，这个字节码包含了指向常量池的引用。在动态链接的时候会加载到运行时常量池。
public class SimpleClass {
public void sayHello() {
System.out.println("hello");
}
}
//虽然上述代码只有194字节，但是里面却使用了String、System、PrintStream及Object等结构。这里的代码量其实很少了，如果代码多的话，引用的结构将会更多，这里就需要用到常量池了。private String name;
public static void main(String[] args) {
Object o = new Object();
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
//将会被翻译成如下字节码：
public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=2, args_size=1
0: new #2 // class java/lang/Object
3: dup
4: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."":()V
7: astore_1
8: return
LineNumberTable:
line 7: 0
line 8: 8
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 9 0 args [Ljava/lang/String;
8 1 1 o Ljava/lang/Object;
public void setName(java.lang.String);
descriptor: (Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=2, args_size=2
0: aload_0
1: aload_1
2: putfield #3 // Field name:Ljava/lang/String;
5: return
LineNumberTable:
line 11: 0
line 12: 5
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 6 0 this Lcom/aop/demo/annotation/JClassDemo;
0 6 1 name Ljava/lang/String;
4）总结：常量池是.java文件被编译后产生于.class文件中。可以看做是一张表，虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量等类型。当Class文件被Jvm虚拟机加载进内存后，Class类信息存储于元空间，常量池也存储在元空间，每个对象拥有一份。常量池是当Class文件被Java虚拟机加载进来后存放各种字面量 (Literal)和符号引用。
运行时常量池：存在于内存的元空间中
1）所处区域：内存的元空间
2）诞生时间：JVM运行时
3）内容概要：常量池（Constant Pool Table）是Class文件的一部分，用于存放编译期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运行时常量池中。
4）JVM为每个已加载的类型（类或接口）都维护一个常量池。池中的数据项像数组项一样，是通过索引访问的。
5）运行时常量池是当Class文件被加载到内存后，Java虚拟机会将Class文件常量池里的内容转移到运行时常量池里(运行时常量池也是每个类都有一个)。运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中。
字符串常量池：存在与堆内存中 https://www.cnblogs.com/liangyueyuan/p/9796992.html
1）所处区域：堆内存
2）诞生时间：JVM运行时
3）JDK1.7将字符串常量从永久代移动到了堆内存中是因为：。因为永久代的回收效率很低，在full gc的时候才会触发。而full gc是老年代的空间不足、永久代不足时才会触发。这就导致stringTable回收效率不高。而我们开发中会有大量的字符串被创建，回收效率低，导致永久代内存不足。放到堆里，能及时回收内存。
4）JDK1.7分别将字符串常量池和静态成员变量迁移到了堆内存中。
字符串池里的内容是在类加载完成，经过验证，准备阶段之后在堆中生成字符串对象实例，然后将该字符串对象实例的引用值存到string pool中（记住：string pool中存的是引用值而不是具体的实例对象，具体的实例对象是在堆中开辟的一块空间存放的）。 在HotSpot VM里实现的string pool功能的是一个StringTable类，它是一个哈希表，里面存的是驻留字符串(也就是我们常说的用双引号括起来的)的引用（而不是驻留字符串实例本身），也就是说在堆中的某些字符串实例被这个StringTable引用之后就等同被赋予了”驻留字符串”的身份。这个StringTable在每个HotSpot VM的实例只有一份，被所有的类共享。
常量赋值
代码：String s1 = "abc"；在字符串常量池中创建，全局唯一共享。
代码：String s1 = new String("abc")；
首先先来考虑一下这一句的执行过程，这句一共生成了两个对象，分别是"abc" 和 new String("abc")，在new String("abc")之前字符串常量池中就已经驻留了"abc"。如果字符串常量池中没有"abc"，那么就在常量池创建，如果已经存在就不需要重复创建。然后在堆内存中创建String("abc")对象，这个对象指向常量池的所对应的字符串。返回堆内存中的地址引用。驻留的字符串是放在全局共享的字符串常量池中的。
代码：String s1 = new String("a") + new String("b")；
这句话一共生成了5个对象，首先会先在池子生成“a”和“b”，然后会在堆里生成对象new String("a") 和 new String("b)，这两个对象分别指向常量池的所对应的字符串，接着由于“+”的作用下，创建了新的对象，这个对象通过利用之前的对象所指向的字符进行拼接生成“ab”，即这波操作是在堆里实现的，不会将生成的"ab"放在常量池里，此时之前的两个对象已经没有作用了，需要等待垃圾回收。
总结：
不管是new String("XXX")和直接常量赋值, 都会在字符串常量池创建.只是new String("XXX")方式会在堆中创建一个中转站去指向常量池的对象, 而常量赋值的变量直接赋值给变量
当使用了变量字符串的拼接(+, sb.append)都只会在堆区创建该字符串对象, 并不会在常量池创建新生成的字符串。
String intern() 方法：当调用intern方法时，如果池已经包含与equals(Object)方法确定的相当于此String对象的字符串，则返回来自池的字符串。 否则，此String对象将添加到池中，并返回对此String对象的引用。
12.静态变量存储：
静态引用对应的对象实体始终都存在堆空间。JDK1.7之后1.8从方法区迁移到了堆内存中。
声明：本文是本人学习，阅读深入理解JVM第三版，和查看部分优秀博主文章总结。https://www.jianshu.com/p/87354570f362 https://blog.csdn.net/luanlouis/article/details/39960815