第2章 Java内存区域与内存溢出异常

声明：该系列是学习周志明老师的《深入理解Java虚拟机》的学习笔记，并非原创。

1、JVM运行时数据区域

JVM运行时数据区域包括程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈、Java堆、方法区，如图所示：

各区域的功能如下：

程序计数器：Program Counter Register（线程私有）

       是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

Java虚拟机栈：Java Virtual Machine Stacks（线程私有）

       该栈的生命周期与线程相同。描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时会创建一个栈帧（Stack Frame），用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

       局部变量表存放了编译期间的各种基本类型数据、对象引用、returnAddress类型。64bit长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间，其余的数据类型只占用1个。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。

       JVM规范中，该区域规定了2种异常情况：1）、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；2）、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。

本地方法栈：Native Method Stack（线程私有）

       与虚拟机栈的所用非常相似，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。该区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆：Java Heap（线程共享）

        Java堆是JVM所管理的内存中最大的一块。被所有的线程共享，在JVM启动时创建。

        此区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

        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（和磁盘空间一样）。可以通过-Xmx和-Xms控制堆的最大值和最小值。若堆中没有内存完成实例分配且无法再扩展时，会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区：Method Area（线程共享）

        用于存储已经被JVM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，会抛出OutOfMemoryError异常。

        方法区中包含一个区域，运行时常量池，用于存放编译期间生成的各种字面量和符号引用。

2、HotSpot虚拟机对象探秘

2.1对象的创建过程

       1）当虚拟机遇到一条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经被加载、解析和初始化过。如果没有，就必须先执行相应的类加载过程。

       2）在类加载检查通过后，虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需的内存大小在加载完成后便可以完全确定，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。

       划分内存时，在并发情况中不是线程安全的。解决情况：①对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。②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（TLAB：Thread Local Allocation Buffer），线程需要分配内存时首先在自己的TLAB上分配，只有TLAB不够时，才需要同步锁定。

       3）内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零（不包括对象头）。

       4）虚拟机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、对象的GC分代年龄等信息。

       5）从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但是从Java程序的视角来看，还需要接着执行<init>方法，按照程序员的意愿对对象进行初始化。

2.2 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3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对其填充（Padding）。

       对象头包括两部分信息：

                ①用于存储对象自身的运行时数据，如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。

                ②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 来确定这个对象是哪个类的实例。

        实例数据：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。（分配策略：相同宽度的字段总是被分配到一起。）

        对齐填充：没有特殊的含义，仅仅起着占位符的作用。（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。）

2.3 对象的访问定位

        主流的访问方式有句柄和直接指针两种。

        句柄访问：Java堆中将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的具体地址信息，如图所示。优势：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。

       直接指针访问：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。优势：速度更快，节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。