[深度理解java虚拟机] 第2章 java内存区域与内存溢出异常

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2.1 概述

• 了解java虚拟机内存分配，解决内存泄漏和溢出方面的问题。

2.2 运行时数据区域

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2.2.1 程序计数器

• 是一块较小的内存区域，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器，每个线程都有一个独立的程序计数器。
• 如果执行的是Java方法，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，这个计数器为Undefined；
• 此内存区域是在java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

2.2.2 java虚拟机栈

• 每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧用于存储局部变量表，操作数栈，动态连接，方法出口信息。每一个方法从调用到执行完成，都对应着一个栈帧在虚拟机栈中的入栈到出栈。
• 在规范中定义了两种异常状况：如果线程请求栈的深度大于虚拟机栈所允许的深度，抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展，当扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

2.2.3 本地方法栈

• 与虚拟机栈所发挥的作用非常相似，区别是虚拟机栈为虚拟机执行的是java方法服务，本地方法栈为虚拟机执行Native方法服务。

2.2.4 java堆

• 用来存放对象实例，是java虚拟机所管理的内存中最大的一块，也是所有线程共享的一块内存区域。
• Java堆是垃圾回收的主要区域。
• 堆可以实现固定大小，也可以是可扩展的，主流虚拟机按照可扩展来实现（通过-Xmx和-Xms控制）。扩展时申请不到内存则会抛出OutOfMemoryError异常。

2.2.5 方法区

• 和java堆一样，是各个线程共享的内存区域，用于存储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。
• 当方法区无法满足内存分配需求时，抛出OutOfMemoryError异常。

2.2.6 运行时常量池

• 是方法区的一部分。存放编译时期生成的各种字面量和符号引用。
• 具有动态性。运行期间也可以将新的变量放入池中，用的最多的是Sring类的intern()方法。
• 常量池无法申请到内存时抛出OutOfMenoryError异常。

2.2.7 直接内存

• 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。属于本机内存，即堆外内存。
• 本机直接内存不会受到java堆大小的限制，但是会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。
• 在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数，但往往忽略直接内存使得各内存总和大于物理内存，从而导致动态扩展时出现OutOfMeoryError异常。

2.3 HotSpot虚拟机对象探秘

2.3.1 对象的创建

• 创建的过程
  1. new 类名。
  2. 根据new的参数在常量池中定位一个类的符号引用。
  3. 如果没有找到这个符号引用，说明类还没有被加载，则进行类的加载、解析和初始化。
  4. 虚拟机为对象分配内存（位于堆中）。
  5. 将分配的内存初始化为零值（不包括对象头），即给字段的数据类型赋初始值。
  6. 虚拟机对对象进行必要的设置，即设置对象头中的数据，例如对象是那个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码等。
  7. 调用对象的方法。
• 给对象分配内存方式
  1. 指针碰撞；要求java堆中的内存是绝对规整的，即所有用过的内存放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器。
  2. 空闲列表；虚拟机维护一个列表，记录哪些空闲块是可用的。可以用于java堆内存不是规整的。java堆的规整取决于垃圾回收器是否带有压缩整理功能。
• 在分配内存中可能存在线程安全性问题
  1. 保证更新操作的原子性，即上锁。
  2. 采用本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer）TLAB，即给每个线程预先分配一块小内存，分配内存时直接在TLAB上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB参数时，才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX:+/-UseTLAB参数来设定。

2.3.2 对象的内存布局

• 对象头（Header）
  1. 用于存储对象自身运行时的数据，如哈希码、GC分代年龄等。
  2. 存储类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是那个类的实例。
• 实例数据（Instance Data）；是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。
• 对齐填充（Padding）；不是必然存在的，也没有特殊的含义，它仅仅起着占位符的作用。

2.3.3 对象的访问定位

• 使用句柄访问；即在java堆中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的实例数据与类型数据各自的具体的地址信息。
• 使用直接指针访问；即reference中直接存储对象的地址。
• 优势
  1. 句柄访问；就是reference中存储的是稳定的句柄地址，当对象移动时只会改变句柄中的实例数据指针，reference本身不需要修改。
  2. 直接指针访问；最大的好处就是速度快，节省了一次指针定位的时间开销。

2.4 实战：OutOfMemoryError异常

2.4.1 java堆溢出

2.4.2 虚拟机栈和本地方法栈溢出

2.4.3 方法区和运行时常量池溢出

2.4.4 本机直接内存溢出