重温《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第二版）》 –– 学习笔记（二）

第二部分：自动内存管理机制

第2章：Java内存区域与内存溢出异常

2.1 概述

Java 与 C++ 之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术围成的高墙。

Java 程序员在 虚拟机自动内存管理机制 的帮助下，无需为每一个 new 操作去写配对的 delete/free 代码，这样就不容易产生内存泄漏和内存溢出问题。但是也带来了一个问题，一旦出现内存泄漏和内存溢出问题，如果不了解虚拟机是如何使用内存的，那排查起来就会比较困难。

2.2 运行时数据区

Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会将它管理的内存分为几个区域，这些区域就是运行时数据区，分为：方法区，堆，虚拟机栈，本地方法栈，程序计数器，如下图：

• 线程私有：虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器
• 线程共享：方法区、堆

2.2.1 程序计数器（Program Counter Register）

• 是一块儿很小的内存区域
• 可以将它看成当前线程所执行的字节码的行号指示器
• 多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的
• 在一个确定的时间内，一个处理器（如果是多核那就是一个核）只能执行一条线程中的指令
• 为了保证线程切换回来能够回到到正确的位置，每条线程都需要一个程序计数器，各线程中的程序计数器互不干扰，独立存储，我们将这类内存区域称为“线程私有”的内存。
• 如果当前线程执行的是一个 Java 方法，那程序计数器记录的就是线程中正在执行的虚拟机字节码指令的地址。如果当前线程执行的是一个Native方法，那程序计数器中记录的是 Null
• 此区域是唯一一个Java虚拟机规范没有规定任何 OOM 情况的区域

2.2.2 Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

• 与程序计数器一样，此区域的内存都属于“线程私有”内存
• 是用来描述 Java 方法执行的内存模型
• 每个方法执行的同时会创建一个栈帧（Stack Frame），用来存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息等。方法从调用直至执行完成的过程，对应的就是栈帧在Java虚拟机栈中入栈出栈的过程。
• 经常会有人把 Java 的内存分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种分发是极为粗糙的，严格说来这里的堆内存就是下边要讲到的 Java 堆，而栈内存指的是 Java 虚拟机栈，或者说是 Java 虚拟机栈中的局部变量表部分。
• 局部变量表存放了编译期可知的基本数据类型，对象引用，returnAddress（一条指向字节码指令的地址）
• 64 位长度的 long 和 double 类型需要占用 2 个局部变量空间（slot），其他类型需要占用1 个
• 局部变量表的空间分配是在编译期完成的。当进入到一个方法时，该方法在栈帧中需要分配多大的局部变量表是完全确定的，在方法运行期间局部变量表的空间是不会改变的。
• Java 虚拟规范中规定该区域有两种异常情况：
  1. 线程请求的栈深度超过了虚拟机允许的最大深度，将抛出 StackOverflowError 异常
  2. 虚拟机栈可以动态扩展的话，当扩展的时候无法申请到足够内存，将抛出OutOfMemoryError 异常

2.2.3 本地方法栈（Native Method Stack）

• 与 Java 虚拟机栈非常相似，区别在于 Java 虚拟机栈是为虚拟机执行Java方法而服务的，而本地方法栈是为虚拟机执行 Native 方法而服务的。
• Java 虚拟机规范当中并没有对这个区域进行明确规定，所以具体的虚拟机可以自由的去实现它。甚至有些虚拟机实现将 Java 虚拟机栈和本地方法栈合二为一，例如：HotSpot VM
• 和Java虚拟机栈一样，本地方法栈可能会抛出 StackOverflowError、OutOfMemoryError 异常

2.2.4 Java 堆（Java Heap）

• 是 Java 虚拟机所管理的最大内存区域
• 是被所有线程共享的一块儿区域
• 堆是在虚拟机启动的时候创建的
• 此内存区域唯一的目的就是存储对象实例，几乎所有的对象都需要在此区域分配内存。这一点在 Java 虚拟机规范当中的描述是：所有的对象实例和数组都要在堆上分配。但是随着技术的发展和更新，例如：JIT编译器的发展、逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术，使所有对象都需要在堆上分配内存变得不那么绝对了
• 此区域也被称为 GC 堆，主要因为该区域是垃圾收集器管理的主要区域
• 从内存回收的角度来看，由于现在的圾收集器基本上都采用分代收集的算法，所以Java堆还可以细分为：新生代和老年代。再细分的话，就是Eden空间，From Survivor 空间、To Survivor空间
• 根据 Java 虚拟机规范的规定，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
• Java 堆可以是固定的，也可以是可扩展的，当前主流的虚拟机 Java 堆都是可扩展的（通过-Xmx和-Xms参数）
• 如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法进行扩展了，将会抛出OutOfMemoryError异常

2.2.5 方法区（Method Area）

• 该区域与Java堆一样，都属于线程共享的内存区域。
• 用来存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译过的代码等数据。
• 在 Java 虚拟机规范中将方法区描述为堆的一个逻辑部分，为了和堆有所区分，方法区别名为 Non-Heap（非堆）。
• 作为 HotSpot VM 的用户来说，很多人愿意将方法区称为“永久代”，两者实则不等价，仅仅是因为 HotSpot 虚拟机将 GC 分代收集扩展到了方法区，或者说用永久代实现了方法区。这样的好处是，HotSpot 虚拟机垃的圾收集器可以像管理 Java 堆一样来管理方法区，省去了专门为方法区编写内存管理的代码了。但同时也带来了问题，那就是更容易出现OutOfMemoryError异常，因为永久代有 XX:MaxPermSize 的上限。其他虚拟机（例如：JRockit、J9）不存在永久代，只要没达到进程可用内存上线，就不会出现内存溢出的问题。
• HotSpot 官方也有在未来用 Native Memory 替代永久代来实现方法区的计划。在JDK1.7 的 HotSpot 中，已经把永久代中字符串常量池移出来了。
• 运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分
• Class文件中有常量池信息（Constant Pool Table），常量池用来存放编译器生成字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入到方法区的运行时常量池中存放。
• 运行时常量池相较于Class文件中常量池具有一个动态性的特征，Java语言并没有规定只有在编译期产生常量，也就是说并不是Class文件中的常量池中的内容才能进入到运行时常量池中，运行期间也可能将新常量存放到运行时常量池中，这种特性被开发人员利用较多的是String的intern()方法。
• 运行时常量池作为方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当运行时常量池无法申请到内存的时候，则抛出OutOfMemoryError异常。

2.2.6 直接内存（Direct Memory）

• 直接内存既不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中所规定的内存区域。
• JDK 1.4 引入了 NIO（New Input/0utput）类，是一种基于管道（Channel）和缓冲区（Buffer）的I/O方式，它通过Native函数库直接对堆外内存进行分配，并通过堆中的一个对象（DirectByteBuffer）作为此块儿内存的引用进行操作。
• 直接内存分配虽然不受 Java 堆大小的限制，但是既然是内存，还是会受到本机总内存以及处理器寻址空间的限制，当没有做够的空间来分配内存的时候，将会抛出OutOfMemoryError异常。

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