深入理解Java虚拟机 第2章

Java内存区域与内存溢出异常

对于C/C++程序员：在内存管理区域，即拥有每一个对象的“所有权”，又担负着每一个对象生命开始到终结的维护责任。
对于Java程序员：在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，不再需要为每一个new操作去写配对的delete/free代码，不容易出现内存泄漏和内存溢出问题。但是，一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题，如果不了解虚拟机是怎样使用内存的，那么排查错误将会成为一项异常艰难的工作。

主要介绍：
java虚拟机内存的各个区域、服务对象以及其中可能产生的问题

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1.运行时数据区域

java虚拟机在执行java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域，这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

①程序计数器（Program Counter Register）

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。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。
多线程中，每个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，独立存储，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，这个计数器的值则为空（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。

②Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

Java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。
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，栈帧是方法运行时的基础数据结构）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、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从入栈到出栈的过程。
经常有人把Java内存区分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种划分方式的流行只能说明大多数程序员最关注的、与对象内存分析关系最密切的内存区域是这两块。
局部变量表存放了编译器可知的各种基本数据类型、对象引用和returnAddress类型。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，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。
在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常情况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展，如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

③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（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。
在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。
与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

④Java堆

对于大多数应用来世，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。
目的：存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。在Java虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么”绝对”了。

栈上分配的一个技术基础是进行逃逸分析，逃逸分析的目的是判断对象的作用域是否有可能逃逸出函数体。另一个是标量替换，允许将对象打散分配在栈上，比如若一个对象拥有两个字段，会将这两个字段视作局部变量进行分配。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称作“GC堆”（Garbage Collected Heap）。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。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

⑤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、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。

⑥运行时常量池（Runtime Constant Pool）

是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。
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。

⑦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。

2.HotSpot虚拟机对象探秘

①对象的创建

–>虚拟机遇到一条new指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能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。
–>在类加载检查通过后，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完全确定，为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。

假设Java堆中的内存是绝对规整的，所有用过的内存都放在一边，空闲的内存放在一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配的内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边移动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为“指针碰撞”（Bump the Pointer）。如果Java堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录，这种分配方式称为“空闲列表”（Free List）。选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。

–>内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间初始化为零值（不包括对象头），如果使用TLAB（Thread Local Allocation Buffer，本地线程分配缓冲）这一工作过程也可以提前到TLAB分配时进行。这一步操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，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）之中。
–>从虚拟机的视角看，一个新的对象已经产生了，但从Java程序的视角看，对象的创建才刚刚开始——方法还没有执行，所有的字段都还为零。一般来说（由字节码中是否跟随invokespecial指令所决定），执行new指令之后会接着执行方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化。

②对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐补充（Padding）。
对象头包括两部分信息：第一部分用于存储对象自身的运行时数据；另一部分是类型指针，即对象指向它的元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例（并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，换句话说，查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身）。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，因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是从数组的元数据中无法确定数组的大小。
实例数据是对象真正存储的有效信息，也就是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。
对齐填充不是必然存在的，仅仅起着占位符的作用。由于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，换句话说，就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头正好是8字节的倍数（1倍或2倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

③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。由于reference类型在Java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中的对象的具体位置，所以对象的访问方式也是取决于虚拟机实现而定的。
目前主流的访问方式有：句柄。java堆中会划分一块内存来作为句柄池，reference中存储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。

直接指针。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中存储的直接就是对象地址。

对比：使用句柄来访问的最大好处是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。
使用直接指针访问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。
HotSpot采用直接指针访问方式进行对象访问，但从整个软件开发的范围来看，各种语言和框架使用句柄来访问的情况也十分常见。

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