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
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
-
需要注意的是，
-
线程请求的
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
-
-
直接指针
-
reference中存储的直接就是
对象地址
-
reference中存储的直接就是
-
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