三、内存分配
1. JVM 简化架构概览
1.1 运行时数据区（即内存区域，又称 JVM 内存结构）
如上面的 JVM 简化架构图所示，内存区域分为如下五个部分（这五个部分统称为运行时数据区）：
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PC寄存器（又称程序计数器）； -
Java栈（又称Java虚拟机栈，或虚拟机栈）； -
Java堆； -
方法区；
注意：运行时常量池是划分在方法区中的。
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本地方法栈（
Native栈）
1.1.1 PC 寄存器（又称程序计数器）
PC（Program Counter）寄存器说明：
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PC寄存器是线程私有的，即每个线程拥有一个PC寄存器，用来存储指向下一条指令的地址。PC寄存器中指令的存储顺序就是线程中代码的执行顺序。 -
在创建线程的时候，创建相应的
PC寄存器。 -
执行本地方法（即
native修饰的jni方法）时，PC寄存器的值为undefined。 -
PC寄存器是一块较小的内存空间，是唯一一个在JVM规范中没有规定OutOfMemoryError的内存区域。
1.1.2 Java 栈（又称 Java 虚拟机栈，或虚拟机栈）
Java 栈的说明：
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Java栈是由一系列的帧（Frame）组成的。因此，Java栈也称为帧栈。Java栈和PC寄存器一样，都是线程私有的。由帧组成的栈叫做帧栈；
存放在帧栈中的帧叫做栈帧。
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帧（即 栈帧）可以用来保存一个方法的局部变量、操作数栈（
Java没有寄存器，所有参数传递使用操作数栈）、常量池指针、动态链接、方法返回值等。 -
每一次方法调用时都会创建一个帧，并压栈。退出方法时，修改栈顶指针就可以把栈帧中的内容销毁。
帧是方法调用相关的。方法调用开始时创建帧，方法调用结束后销毁帧。
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局部变量表 存放了编译期可知的各种基本数据类型和引用类型，每个
slot（槽位） 存放32位的数据，long、double占两个slot。局部变量表中的槽位（
slot）是可以复用的。参考
Code属性在class文件中的解析举例。参考 《字节码执行引擎》 中的 局部变量表
Java 栈的优缺点：
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优点：存取速度比堆快，仅次于寄存器。
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缺点：存在栈中的数据大小、生存期是在编译期决定的，缺乏灵活性。
1.1.3 Java 堆
Java 堆说明：
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用来存放应用系统创建的对象和数组。所有线程共享
Java堆。 -
GC主要就是管理堆空间。对分代GC来说，堆也是分代的。分代只是一种思想，内存中并没有分代的说法。
Java 堆的优缺点：
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优点：运行期动态分配内存大小；自动进行垃圾回收。
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缺点：效率相对较慢。
1.1.4 方法区
方法区的说明：
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方法区是线程共享的，通常用来保存加载的类的结构信息（即
class文件中的二进制字节流数据，包括：类名、继承关系、字段、方法、附加属性等信息数据）。参考 类加载要完成的功能。
参考
Class文件的格式。 -
方法区通常和元空间（
Meta Space）关联在一起。但具体的跟JVM实现和JDK版本有关。JDK 8之前，方法区和永久区关联在一起；JDK 8之后，废除了永久区，将方法区和元空间关联在一起。 -
JVM规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但方法区有一个别名（即Non-heap非堆），应该是为了与Java堆相互区分开来。
1.1.5 运行时常量池
运行时常量池是 class 文件中每个类或接口的 常量池表，在运行期间的表示形式，通常包括：JDK 版本、类名、父类或父接口名、字段、方法等信息。
运行时常量池分配在方法区中。
因此，说方法区中保存了类的结构信息是正确的。
通常在加载类和接口到 JVM 后，就创建了相应的运行时常量池。
1.1.6 本地方法栈（Native 栈）
在 JVM 中用来支持 native 方法执行的栈就是本地方法栈。
1.2 Java 栈、Java 堆、方法区三者间的交互关系
如上图所示：
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对于
Java栈中的局部变量表中的类类型的局部变量，会指向Java堆中的类对象； -
对于
Java堆中的类对象，它不仅包括实例数据，还包括指向该类元数据信息的指针； -
对于类的元数据信息，就是方法区中保存的类的结构信息等，即
Java堆中的类对象还会持有对方法区中数据的引用。
2. Java 堆
2.1 堆内存概述
Java 堆用来存放应用系统创建的对象和数组，所有线程共享 Java 堆。
在运行时期为 Java 堆动态分配内存大小，并自动进行垃圾回收。
Java 垃圾回收（GC）主要就是回收堆内存。
对分代
GC来说，堆也是分代的。
堆内存在逻辑上是连续的，在物理上可以是不连续的。
2.2 堆内存的结构
如上图所示：整个堆大小 = 新生代 + 老年代
2.2.1 新生代（Young Generation）
新生代 = Eden + 存活区
新生代用来存放新分配的对象。
新生代中经过垃圾回收后，没有回收掉的对象被复制到老年代。
2.2.1.1 Eden（伊甸园）区
2.2.1.2 存活区（From Space 和 To Space）
存活区（Survivor Space）又分为 From Space 和 To Space。
但使用时，只能使用其中一个。
之所以分为两个，是为了在复制时用到。
2.2.2 老年代（Old Generation，又称年老代）
老年代中只有一个 Tenured Space（年老区）。
老年大存储的对象比新生代存储的对象的年龄大得多。
老年代存储一些大对象。
对一些占用空间较大的对象，可能不会先进入新生代，而是直接存放在老年代。
2.2.3 永久代（又称持久代，已废弃）& 元空间
从前的持久代（即用来存放 Class、Method 等元信息的区域）从 JDK 8 开始去掉了。被元空间（MetaSpace）所取代。
元空间并不在虚拟机里面，而是直接使用本地内存。
2.3 对象的内存布局（对象头、实例数据、对齐填充）
以 HotSpot 虚拟机为例，对象在内存中的存储布局，分为：
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对象头
对象头包含两个部分： 1. Mark Word：存储对象自身的运行数据，如：HashCode、GC 分代年龄、锁状态标志等。 2. 类型指针：对象指向它的类的元数据（即类的结构信息）的指针（指向方法区）。 -
实例数据
真正存放对象实例数据的地方。 -
对齐填充
这部分不一定存在。也没有特别的含义，仅仅是占位符。 因为 HotSpot 虚拟机要求对象起始地址都是 8 字节的整数倍，如果不是，就要对齐填充。
2.4 对象的访问方式（使用句柄、使用指针）
在 JVM 规范中，只规定了 reference 类型（引用类型）是一个指向对象的引用，但没有规定这个引用具体如何去定位，并访问堆中对象的具体位置。
因此，对象的访问方式取决于 JVM 的实现。目前主流的访问方式有：
-
使用句柄：
Java 堆中会划分出一块内存来做为句柄池，reference 中保存句柄的地址。 即引用指向句柄池中的句柄。 句柄中存储对象的实例数据，以及类的元数据的地址。
使用句柄的优缺点：
-
优点：当对象发生改变时，只需要修改句柄中到对象数据的指针即可。不需要修改
reference的指向。’ -
缺点：使用句柄其实就是采用间接引用的方式访问对象，于是，
reference需要2次寻址才能访问到对象。即访问速度较慢。
-
-
使用指针（
HotSpot虚拟机采用这种方式来访问对象）：Java 堆中会存放访问类的元数据的地址， reference 存储的就直接是对象的地址。
使用指针的优缺点：
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优点：
reference直接指向对象，只需1次寻址。即访问速度较快。 -
缺点：对象发生改变时，需要修改
reference的指向。
-
3. Java 内存分配相关的参数设置
3.1 Trace 跟踪参数
3.1.1 -Xlog:gc（打印 GC 日志的简要信息）
3.1.2 -Xlog:gc*（打印 GC 日志的详细信息）
3.1.3 -Xlog:gc:（输出 GC 日志信息到指定文件）
如 -Xlog:gc:garbage-collection.log，其中 garbage-collection.log 是保存 GC 日志的文件。
文件名前面还可以加路径，路径目录必须事先创建好。
3.1.4 -Xlog:gc+heap=debug（打印 GC 日志信息和堆信息）
3.1.5 GC 日志信息的格式
不同垃圾收集器的 GC 日志格式可能不同。GC 日志信息中主要包含以下内容：
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GC发生的时间，也就是JVM从启动以来经过的秒数。 -
日志级别信息，和日志类型标记。
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GC识别号。 -
GC类型，和GC的原因说明。 -
容量：
GC前容量-> GC后容量（该区域总容量）。 -
GC持续时间，单位：秒。有的收集器会有更详细的描述，比如： 1. user：表示应用程序消耗的时间； 2. sys：表示系统内核消耗的时间； 3. real：表示操作从开始到结束的时间。
举例如下：
3.2 Java 堆的参数
3.2.1 -Xms（初始堆大小）
设置堆的最小空间大小为 size，同时也将堆的初始空间大小设置为 size。
size 必须是 1024 的倍数，且 size 必须大于 1MB。如：
-Xms6291456
-Xms6144k
-Xms6m
以上三种方式只是 size 的单位不同，结果都是将 size 设置为 6m。
默认为物理内存的 1/64。
如果不想将堆的最小空间大小和初始空间大小设置成一样，可以使用：
1. -XX:MinHeadpSize 单独设置最小空间大小；
2. -XX:InitialHeapSize 单独设置初始空间大小。
3.2.2 -Xmx（最大堆大小）
默认为物理内存的 `1/4`。
-Xmx 等价于 -XX:MaxHeapSize
建议将 -Xms 和 -Xmx 设置成一样大小，即：初始堆大小 = 最大堆大小。这样，每次 GC 后就不需要再去调整堆大小了。
使用示例如下：
3.2.3 -Xmn（新生代大小）
默认为整个堆的 3/8。
因为新创建的对象一般都是存放在新生代中的，所以：
1. 如果新生代的内存太小，能够存放的对象就少，就会导致频繁的 GC；
2. 如果新生代的内存太大，就会存放过多的对象，从而导致一次 GC 的耗时较长。
-Xmn 同时设置了新生代的初始空间大小和最大空间大小。也可以使用 -XX:NewSize 和 -XX:MaxNewSize 分别单独设置。
3.2.4 -XX:NewRatio（老年代与新生代的比例）
-XX:NewRatio 是设置新生代和老年代的占比关系。而 -Xmn 是设置新生代的固定内存大小。
也就是说，对于 -XX:NewRatio， 新生代的内存大小取多少，是虚拟机根据比例来算的。
默认值为 -XX:NewRatio=2，表示 老年代 : 新生代 = 2 : 1，即
老年代占堆内存的 2/3
新生代占堆内存的 1/3
注意：如果 -Xms = -Xmx，且设置了 -Xmn，那么不用再设置 -XX:NewRatio。
3.2.5 -XX:SurvivorRatio（Eden 区和 Survivor 区的比例）
当 -XX:SurvivorRatio = 8 时，则 eden : from : to = 8 : 1 : 1，即：
eden 区占新生代内存的 8/10；
from space 占新生代内存的 1/10；
to space 占新生代内存的 1/10。
3.2.6 -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError（导出 OOM 时的堆信息）
导出 OOM 时的堆信息就是导出一个堆存储文件（hprof）文件。
如果不通过参数 -XX:+HeapDumpPath 指定导出的 hprof 文件的路径，
则默认在程序运行时所在的当前目录下生成 hrof 文件。
3.2.7 -XX:+HeapDumpPath（OOM 时堆信息的导出文件路径）
如果不指定导出路径，默认为 `Java` 程序运行时所在的当前目录。
3.2.8 -XX:OnOutOfMemoryError（在 OOM 时，执行一个脚本）
3.2.9 示例：GC 前后对象在堆内存中的分布变化
3.2.10 示例：分配的新生代内存不能超过最大堆内存的一半
当 -Xmn 设置的新生代内存超过了 -Xmx 设置的最大堆内存的一半时，实际给新生代分配的内存可能比 -Xmn 设置的小。
3.2.11 示例：导出堆存储文件并使用 MAT 进行内存分析
3.2.12 示例：输出 GC 日志到指定文件
3.2.13 示例：-XX:NewRatio 设置老年代与新生代的比例
3.2.14 示例：-XX:SurvivorRatio 设置 Eden 区和 Survivor 区的比例
3.2.15 示例：分析内存溢出（OOM）时 GC 日志信息
3.3 Java 栈的参数
3.3.1 -Xss（栈的大小）
通常只有几百 K，决定了函数调用的深度。
栈是由帧组成的，函数调用开始时创建帧，函数调用结束后销毁帧。
当函数嵌套调用时，就会同时有多个帧存在，嵌套层级越深，帧越多，
因此说 -Xss 所设置的栈大小，决定了一个栈中能同时存放下多少个帧，即确定了函数调用的嵌套深度。
3.3.2 示例：通过递归函数模拟 StackOverflowError（栈溢出异常）
3.4 元空间的参数
3.4.1 -XX:MetaspaceSize（初始空间大小）
3.4.2 -XX:MaxMetaspaceSize（最大空间大小）
默认是没有限制的
3.4.3 -XX:MaxMetaspaceFreeRatio（GC 后的最大剩余百分比）
在 GC 之后，最小的 Metaspace 剩余空间容量的百分比。
3.4.4 -XX:MinMetaspaceFreeRatio（GC 后的最小剩余百分比）
在 GC 之后，最大的 Metaspace 剩余空间容量的百分比。