深入理解Java虚拟机_1(Java内存区域与内存溢出异常)

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运行时数据区域

程序技术器

• 程序计数器(Program Counter Register)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
• 在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，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成
• 为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立储存，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存
• 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虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域

Java虚拟机栈

• Java虚拟机栈(Java Virtual Machines Stacks)也是线程私有的，它的生命周期与线程相同
• Java虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧(Stack Frame)用于储存局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一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
• 经常有人将Java内存区分为堆内存(Heap)和栈内存(Stack)，实际上远比这复杂，只不过大多数程序员最关注这两部分，其中的栈就是这里的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中的局部变量表部分
• 局部变量表存放了编译器可知的各种基本数据类型、对象引用(reference类型)和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)
• 局部变量表所需的内存空间在编译器完成分配，当进入一个方法时，这个方法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
• Java虚拟机规范中对这个区域规定了两种异常状况：
  • 如果线程请求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

本地方法栈

• 本地方法栈(Native Method Stack)与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务
• 与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOdMemoryError异常

Java堆

• 对大多数应用来说，Java堆(Java Heap)是Java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，在虚拟机启动时创建
• 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堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称为“GC堆”(Garbage Collected Heap)
• Java堆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，并且堆也无法扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常

方法区

• 方法区(Method Area)与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于储存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
• 当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常

运行时常量池

• 运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分，存放编译期生成的各种字面量和符号引用
• 运行时常量池相对于Class文件常量池的另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，也就是并非预置于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，这种特性被利用较多的是String类的intern()方法
• 当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常

直接内存

• 直接内存(Direct Memory)并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存被频繁使用，也有可能导致OutOfMemoryError异常
• 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，它可以用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个储存在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作，这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据

HotSpot虚拟机

对象的创建

• 首先将去检查这个指令的参数能否在常量池中定位到一个类的符号引用，并且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。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程
• 接下来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确定，为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从堆中划分出来
  • 如果堆是绝对规整的，虚拟机使用一个指针划分使用过的和没使用过的内存，这种方式称为“指针碰撞”(Bump the Pointer)
  • 如果堆的内存不是规整的，虚拟机就必须维护一个列表，记录那些内存块是可用的，分配时从列表中找到一块足够大的空间划分给对象，并更新列表上的记录，这种方式称为“空闲列表”(Free List)
  • 解决创建对象时并发情况下线程安全问题：
    • 一种是对分配内存空间的动作进行同步处理
    • 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，即每个内存在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)。哪个线程要分配内存，就在哪个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完并且分配新的TLAB时，才需要同步锁定
• 内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值(不包括对象头)，如果使用TLAB，这一工作过程也可以提前至TLAB分配时进行，这一步保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值
• 接下来，虚拟机要对对象进行必要的设置。例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头(Object Header)中
• 以上工作完成后，从虚拟机的角度来看对象已经创建完成，姐先来将执行init方法

对象的内存布局

• 对象在内存中储存的布局可以分为三块区域：对象头(Header)、实例数据(Instance Data)和对象填充(Padding)
• 对象头包括两部分信息：
  • 第一部分用于储存对象自身的运行时数据，如哈希码(HashCode)、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等
  • 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。另外，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
• 实例数据部分是对象真正储存的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。这部分储存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
• 第三部分对其填充不是必须存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用，因为HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，即对象的大小必须是8字节的整数倍

对象的访问定位

• Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象
• 对象访问方式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
  • 如果使用句柄访问的话，Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，reference中储存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
  • 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相关信息，而reference对象中储存的直接就是对象地址
• 这两种方式各有优劣
  • 使用句柄来访问的最大好处就是reference中储存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本身不会改变
  • 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