JVM内存模型和内存溢出

概念

• JMM，Java Memory Model，定义JVM在计算机内存(RAM)中的工作方式。
• JVM是整个计算机的虚拟模型，所以JMM隶属于JVM。

抽象模型

模型

• 线程之间的共享变量储存在主内存中。
• 每个线程都有一个私有的本地内存，储存了该线程读写共享变量的副本。
• 本地内存是一个抽象概念，涵盖缓存、写缓冲区、寄存器、其他硬件和编译器优化

通信的实现

1. 首先，线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。
2. 然后，线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。

JVM内存

• 分为线程共享和线程隔离的区域。
  

程序计数器

• 可看做当前线程所执行的字节码的行号指示器。
  • 线程执行java方法时：虚拟机字节码指令的地址。
  • 线程执行native方法时：空(undefined)。
• 唯一没有规定任何OutOfMemoryError的区域。

虚拟机栈

• 描述java方法执行的内存模型：每个方法执行时创建栈帧，存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口。
• 局部变量表存储基本数据类型、引用类型，其中64位的long和double占用2个局部变量空间。
• 异常：
  • StackOverflowError：线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度。
  • OutOfMemoryError：虚拟机栈扩展时无法申请到足够的内存。

本地方法栈

• 类似java虚拟机栈，但是使用native方法服务。
• Sun的HotSpot 虚拟机将本地方法栈和虚拟机栈合并。

堆

• 存储对象实例和数组(JIT编译器的优化使得对象并不一定存储在堆上)。
• OutOfMemoryError：堆中没有内存完成实例的分配，并且堆无法扩展。

方法区

• 存储被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译的代码等。
  • JIT：将热点代码编译成平台相关的机器码。
• 内存回收的目标：常量池的回收、类型的卸载。
• OutOfMemoryError：方法区无法满足内存分配需求。

运行时常量池

• 方法区的一部分，存放编译期生成的的字面量和符号引用，或者运行期间产生的常量(String.intern()方法)。

直接内存

• 不是虚拟机运行时数据区的一部分，可以通过NIO分配和操作这一堆外内存。
• OutOfMemoryError：各个内存区域的总和大于物理内存的限制。

JAVA对象

• 基于HotSpot虚拟机讨论，普通java对象，不包括数组、Class对象。

创建

1. 类加载检查。检查常量池中是否有对应的类的符号引用，并且这个类是否已被加载、解析、初始化。如没有，执行类加载。
2. 分配内存。内存规整时使用指针碰撞，内存不规整时使用空闲列表，两个以上的对象同时分配内存时，需要注意线程安全，解决方法：
   1. 同步内存分配动作：CAS和失败重试，保证更新的原子性。
   2. 每个线程预先分配本地线程分配缓冲(Thread Local Allocation Buffer, TLAB)，在各自的TLAB上分配内存，只有分配新的TLAB时，才需要同步锁定。
3. 初始化零值。除对象头之外的内存空间初始化，保证对象的实例字段不附初始值就可以使用。也可以在TLAB分配时进行。
4. 设置对象头。包括属于的类、如何找到类的元数据、对象哈希码、对象GC分代年龄、偏向锁等。
5. 执行init方法。按照程序员意愿初始化。

布局

• 对象头。
  • 分类
    1. MarkWord，对象自身运行时数据。哈希码、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。
    2. Class指针。指向类元数据，数组还需要包含数组长度。
  • 大小
    1. 在32位系统下，存放Class指针的空间大小是4字节，MarkWord是4字节，对象头为8字节。
    2. 在64位系统下，存放Class指针的空间大小是8字节，MarkWord是8字节，对象头为16字节。
    3. 在64位开启指针压缩的情况下 -XX:+UseCompressedOops，存放Class指针的空间大小是4字节，MarkWord是8字节，对象头为12字节。
    4. 如果对象是数组，那么额外增加4个字节
  • 
• 实例数据。定义的各种类型字段，存储顺序受虚拟机分配策略和源码中的定义顺序影响，hotspot中相同宽度的字段分配到一起，父类中的变量在子类之前。
• 对齐填充。HotSpot内存管理系统要求对象的大小必须是8字节的整数倍。

访问

• 句柄访问。划分句柄池和实例池，reference存储对象句柄地址，句柄包含对象实例数据和类型数据的地址。
  
• 直接指针访问。reference存储对象地址，包含指向类型数据的指针。
  
• 句柄访问的优势：对象移动时只会改变句柄中的实例数据指针，reference本身不变。
• 直接指针访问优势：节省一次指针定位开销，速度更快。HotSpot使用直接指针访问。

OutOfMemoryError异常

• 堆溢出：不停创建对象，并维持 GC Roots 到对象之间的引用避免对象被回收。
• 栈溢出：
  • 递归过深。
  • 创建过多线程。这是由于栈的空间被每个线程瓜分。
• 方法区和运行时常量池溢出：
  • String.intern()方法，在常量池中记录首次出现的实例的引用。
  • cglib产生大量的动态类。
• 本机直接内存溢出：Unsafe实例分配过多内存。
• 溢出实例。

内存相关参数

• Xms设置进程堆内存的最小值。
• Xmx设置进程堆内存的最大值。一般来说，为了避免频繁的堆内存震荡，导致系统性能下降，Xms,Xmx设为相等。
• Xss设置每个线程可使用的内存大小。
• Xmn用来设置堆内新生代的大小。老生代的大小：-Xmx减去-Xmn。
• 参考JVM优化总结。

硬件内存模型

• CPU寄存器、CPU缓存、主存。

• JMM和硬件的关系：交叉关系。

参考

• 全面理解Java内存模型
• 浅析Java内存模型与垃圾回收