深入理解Java虚拟机第三版最新笔记（Java内存区域与内存溢出异常）

第二章 Java内存区域与内存溢出异常

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 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一直存在，有些区域则是 依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。JVM所管理的内存包括以下几个运行时数据区域：

程序计数器（Program Counter Register）

它是一块比较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。是线程私有的，并且不会存在内存溢出，它的作用是记住下一条jvm指令的执行地址，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。

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）

它也是线程私有的，每个线程运行时所需要的内存，称为虚拟机栈，生命周期与线程相同。每个栈由多个栈帧（Frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存。每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法。

在《Java虚拟机规范》中，对这个内存区域规定了两类异常状况：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。（栈帧过多导致栈内存溢出，栈帧过大导致栈内存溢出，通过参数-Xss size来设置栈内存大小）

在linux系统中，使用top命令可以监测到后台进程对cpu的使用、对内存的占用情况，可以获取到对cpu占用过高的进程id，接着可以通过ps H -eo pid,tid,%cpu | grep 进程id 或者使用jstack 进程id 这两个命令来进一步定位是哪个线程引起的cpu占用过高，后者可以定位到问题代码的源码行号。

本地方法栈（Native Method Stacks）

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native） 方法服务。

Java堆（Java Heap）

Java堆（Java Heap）是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。通过 new 关键字，创建对象都会使用堆内存。它是线程共享的，堆中对象都需要考虑线程安全的问题。有垃圾回收机制。

Java堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩 展来实现的（通过参数-Xmx和-Xms设定）。如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再 扩展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区（Method Area）

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。

在JDK8之前，方法区也称为永久代，而到了JDK 8，终于完全废弃了永久代的概念，改用与JRockit、J9一样在本地内存中实现的元空间（Meta-space）来代替，把JDK 7中永久代还剩余的内容（主要是类型信息）全部移到元空间中。如下图所示：

运行时常量池（Runtime Constant Pool）

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。常量池，就是一张表，虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量等信息。运行时常量池，常量池是 *.class 文件中的，当该类被加载，它的常量池信息就会放入运行时常量池，并把里面的符号地址变为真实地址。

直接内存（Direct Memory）

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。它常见于 NIO 操作时，用于数据缓冲区。分配回收成本较高，但读写性能高，并且不受 JVM 内存回收管理。

在JDK 1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区 （Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆里面的 DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了 在Java堆和Native堆中来回复制数据。

2.对象的创建

对象的创建存在以下几个步骤：

• 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。

• 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实际上便等同于把一块确定大小的内存块从Java堆中划分出来。具体有两种分配方式，选择哪种分配方式由Java堆是否规整来决定：

  1. 指针碰撞（Bump The Pointer）：假设Java堆中内存是绝对规整的，所有被使用过的内存都被放在一 边，空闲的内存被放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那 个指针向空闲空间方向挪动一段与对象大小相等的距离。
  2. 空闲列表（Free List）：如果Java堆中的内存并不是规整的，已被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起，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。

补充：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空间压缩整理（Compact）的能力决定。因此，当使用Serial、ParNew等带压缩整理过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，既简单又高效；而当使用CMS这种基于清除（Sweep）算法的收集器时，理论上就只能采用较为复杂的空闲列表来分配内存。

• 除了如何划分可用空间之外，还需考虑在并发情况下创建对象是否是线程安全的，解决这个问题有两种方案：

  1. 其中一种是对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机是采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性
  2. 另一种是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，称为本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），哪个线程要分配内存，就在哪个线程的本地缓冲区中分配，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。虚拟机是否使用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。

• 最后，创建对象由字节码流中new指令后面是否跟随invokespecial指令所决定，Java编译器会在遇到new关键字的地方同时生成这两条字节码指令，new指令之后会接着执行 ()方法，按照程序员的意愿对对象进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全被构造出来。

3.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）。

对象头分为两类信息：

• 第一类是用于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，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32个比特和64个比特，称为“Mark Word”。
• 第二类是类型指针，即对象指向它的类型元数据的指针，Java虚拟机通过这个指针 来确定该对象是哪个类的实例。

接下来实例数据部分是对象真正存储的有效信息，即程序代码里面所定义的各种类型的字段内容。

对象的第三部分是对齐填充，这并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。

4.对象的访问定位

创建对象自然是为了后续使用该对象，Java程序会通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。

主流的访问方式主要有使用句柄和直接指针两种：

• 使用句柄访问的话，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，好处就是reference中存储的是稳定句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要被修改。其结构如下图所示：

• 使用直接指针访问的话，Java堆中对象的内存布局就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference中存储的直接就是对象地址，如果只是访问对象本身的话，就不需要多一次间接访的开销，好处是速度更快，节省了一次指针定位的时间开销，由于对象访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多也是一项极为可观的执行成本，虚拟机HotSpot主要使用直接指针方式进行对象访问，其结构如下图所示：

5.OutOfMemoryError异常

在《Java虚拟机规范》的规定里，除了程序计数器外，虚拟机内存的其他几个运行时区域都有发生OutOfMemoryError异常的可能，具体如下：

• Java堆溢出
  Java堆用于储存对象实例，我们只要不断地创建对象，并且保证GC Roots到对象之间有可达路径 来避免垃圾回收机制清除这些对象，那么随着对象数量的增加，总容量触及最大堆的容量限制后就会 产生内存溢出异常。
• 虚拟机栈和本地方法栈溢出
  1. 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。
  2. 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。
• 方法区和运行时常量池溢出
  运行时产生大量的类填满方法区，就会导致溢出。
• 本机直接内存溢出
  若向操作系统中申请分配过多内存，就会导致溢出。