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深入理解Java虚拟机 第二章Java内存区域与内存溢出异常

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第2章 Java内存区域与内存溢出异常



1. 运行时数据区域

根据《Java虚拟机规范》的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个

运行时数据区域

在这里插入图片描述



1.1 程序计数器

  • 字节码解释器工作时，通过改变程序计数器，来选取下一条需要执行的

    字节码指令

    ，
  • 是程序控制流的指示器，

    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
  • 因为要使不同线程切换后都能恢复到正常位置，因此其是

    线程私有

    的
  • 如果执行的是Java方法，计数器会指向对应虚拟机

    字节码指令的地址

    。如果执行的是Nature方法，则该计数器值为空

    • TODO Nature方法没有线程切换的问题吗
  • 此内存区域是

    唯一一个

    不会出现

    OutOfMemoryError

    问题的区域



1.2 Java虚拟机栈

  • 其描述了Java

    方法

    执行的

    内存模型

    • 每个方法被执行时，JVM都会创建一个栈帧，方法调用到执行完毕的过程，就是栈帧入栈到出栈的过程
    • 栈帧中存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息


      • 局部变量表：

        存放了

        编译期可知

        的各种Java虚拟机基本数据类型、对象引用和 returnAddress 类型（指向了一条字节码指令的地址）。其以**局部变量槽（slot）**表示，其中long与double类型会占用两个槽。
  • 线程私有，且

    生命周期与线程相同
  • 会出现两种异常

    • 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Java虚拟机栈容量

      可以动态扩展

      ，当

      栈扩展时无法申请到足够的内存

      会抛出OutOfMemoryError异常

      • 需要注意的是，

        HotSpot虚拟机栈容量并不可以动态扩展

        。因此除非在

        申请时就失败

        了，否则不会抛出该异常



1.3 本地方法栈

与虚拟机栈类似，但本地方法栈为本地方法服务



1.4 Java堆

Java堆（Java Heap）是虚拟机所管理的内存中最大的一块

  • 在J

    VM启动时被创建

    ，用于

    存放对象实例

    ，“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存
  • 被GC管理（注意，堆中并无老年代等空间，只是GC将其如此划分）
  • 其

    可以处于不连续的内存空间

    中
  • 线程共享
  • 可能产生OutOfMemoryError异常

    • 其既可以设计为**可拓展（主流）**的，也可以设计为不可拓展的



1.5 方法区

  • 其用于存储已被虚拟机加载的

    类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存

    等数据
  • 线程共享
  • 如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常

HotSpot虚拟机在JDK8前，曾采用永久代来实现方法区，而在JDK8时，完全废弃了永久代的概念，用在本地内存中实现的元空间来实现

使用永久代会有两个问题

  • 使得应用更容易出现内存溢出的问题（永久代有默认大小上限，并不以可用内存为上限）
  • 有极少数方法 （例如String::intern()）会因永久代的原因而导致不同虚拟机下有不同的表现


1.5.1 运行时常量池

是方法区的一部分，类加载后，会将

Class文件

的

常量池表

存放到方法区的运行时常量池

Class文件除了有类的版本、字 段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种

字面量

与

符号引用

  • 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。运行期间也可以将新的常量放入池中（注意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



1.6 直接内存

JDK1.4后，可以通过本地方法分配堆外内存，并通过一个存储在Java堆里面的

DirectByteBuffer对象

作为这块内存的引用进行操作

其分配不受JVM控制，但依旧有可能出现OutOfMemoryError异常



2. HotSpot虚拟机对象探秘



2.1 对象的创建

当Java虚拟机遇到一条

字节码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

类加载检查通过后，需要进行

内存分配

（注意，当类加载完成后，

对象所需要的内存即可完全确定

）


  • 指针碰撞法：

    适用于

    绝对规整的堆内存

    。分配时只需要移动

    已分配与未分配内存交界的指针

    即可

  • 空闲列表法：

    适用于

    空闲与已使用交错的堆内存

    。JVM需要维护一个内存列表，分配时查找足够大的空间，分配，更新列表
  • 需根据Java堆采用的GC是否带有

    空间压缩整理

    能力

同时，内存分配时可能遇到

线程不安全

问题（不同线程可能在未完成创建时，又使用了同一个位置的指针进行修改）


  • 同步化：

    对分配内存空间的动作进行

    同步处理

    ，虚拟机是采用

    CAS

    配上

    失败重试

    的方式保证更新操作的原子性

  • 本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）：

    把内存分配的动作

    按照线程划分在不同的空间

    之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存。分配时先在本地缓冲区分配，只有本地缓冲区用完了，

    分配新的缓存区时才需要同步锁定
  • JVM是否使用TLAB，可以通过

    -XX：+/-UseTLAB

    参数来设定

内存分配完成之后，虚拟机必须将分配到的

内存空间（但不包括对象头）都初始化为零值

，如果使用了TLAB的话，这一项工作也可以提前至TLAB分配时顺便进行

接下来，Java虚拟机还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（实际上对象的哈希码会延后到

真正调用Object::hashCode()方法时才计算

）、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。根据虚拟机当前运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。

此时从虚拟机角度，一个对象已经产生，但其

构造函数（即Class文件中的

<init>()

方法）尚未执行

，new指令之后会接着执行

<init>()

方法



2.2 对象的内存布局

在HotSpot虚拟机里，对象在堆内存中的存储布局可以划分为三个部分：

对象头

（Header）、

实例数据

（Instance Data）和

对齐填充

（Padding）


对象头

对象头包含两类信息


  • Mark Word

    • 存储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
    • 在32位虚拟机中，数据长度为32个比特。在64位虚拟机中，数据长度为64个比特
    • 被设计为一个有着动态定义的数据结构，通过指定不同比特存储不同的标志位来记录

  • 类型指针

    • 指向对象类型的元数据的指针，用于确定对象是哪个类的实例
    • 并不是所有虚拟机实现都必须保留类型指针
  • 如果对象是一个数组，对象头中还必须有一块用于记录对下

    数组的长度


实例数据

对象真正存储的有效信息，即我们在程序代码里面所定义的

各种类型的字段内容（包括自己本身定义的，父类继承的）

。在默认的分配策略下，相同宽度的字段总是被分配到一起存放。同时，父类中定义的变量会先于子类存放。


+XX：CompactFields

参数值为true（默认就为true），那子类之中较窄的变量也允许

插入父类变量的空隙

之中，以节省出一点点空间


对齐填充

不是必然存在的，无特别含义，仅仅作为占位符存在

由于HotSpot虚拟机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 任何对象的大小都必须是8字节的整数倍。对象头也被设计为8字节的整数倍，因此需要补齐



2.3 对象的访问定位

Java程序会通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象，规范规定它是一个指向对象的引用，

没有规定实现方式

。主流的访问方式包括：

  • 句柄


    • Java堆

      中将可能会划分出一块内存来作为

      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

      各自具体的地址信息
      在这里插入图片描述

  • 直接指针

    • reference中存储的直接就是

      对象地址

      请添加图片描述

  • 使用句柄的好处：对象（内存地址）被移动时，

    不需要改变reference本身

    ，只需要改变句柄中存储的地址

  • 使用直接引用的好处：访问对象时

    可以直接访问到

    ，节省一次指针定位

  • HotSpot虚拟机主要使用直接指针来访问对象



3. OutOfMemoryError异常


除程序计数器外

，所有区域都有可能出现OOM异常



3.0 参数清单


  • -XX: +HeapDumpOnOutOf-MemoryError

    参数可以使虚拟机在出现内存溢出异常的时候

    Dump出当前的内存堆转储快照

  • -Xms20m

    设置堆的最小值（20m是参数）

  • -Xmx

    设置堆的最大值

  • -Xss

    设置栈容量

  • -Xoss

    设置本地方法栈大小（注意，在HotSpot虚拟机中无效）

  • -XX:PermSize -XX:MaxPermSize

    可以用于限制永久代大小

  • -XX:MetaspaceSize

    指定元空间初始大小，以字节为单位，达到该值时会触发GC进行

    类型卸载

    ，同时根据GC情况

    重新调整该值（释放多则降低，释放少则增加）

  • -XX:MaxMetaspaceSize

    设置元空间大小，默认值是-1（不设限）

  • -XX:MinMetaspaceFreeRatio

    在垃圾收集之后控制

    最小的元空间剩余容量的百分比

    ，可减少因为元空间不足导致的垃圾收集的频率

  • -XX：MaxDirectMemorySize

    指定直接内存大小，不指定则与堆最大值相同



3.1 Java堆溢出



3.2 虚拟机栈和本地方法栈溢出

HotSpot虚拟机并不区分虚拟机栈和本地方法栈

  • 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，将抛出StackOverflowError异常
  • 如果虚拟机的栈内存允许动态扩展，当扩展栈容量无法申请到足够的内存时，将抛出 OutOfMemoryError异常
  • 对于不可动态拓展内存的虚拟机，除非创建线程申请内存时就无法获得足够内存而出现OOM异常。否则在线程运行时是不会因为扩展而导致内存溢出的，只会因为栈容量无法容纳新的栈帧而导致StackOverflowError异常



3.3 方法区和运行时常量池溢出



3.4 本机直接内存溢出


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