java虚拟机读书笔记第一、二章

第一章都是科普性质的内容，就不写了。
第二章
2.1 概述
对c、c++程序开发人员来说，在内存管理上，他们既是拥有最高权力的”皇帝”又同时是从事基础工作的”劳动人民”,即既对每一个对象拥有”所有权”,又担负着每个对象生命从开始到结束的维护责任。
java来说，在虚拟机自动内存管理的帮助下，不需要为每一个new操作去写配对的delete/free代码，不容易出现内存泄露和溢出问题，由虚拟机管理似乎看起来一切都很美好。不过，也正是因为java程序员把内存控制权交给了java虚拟机，一旦出现内存泄露和溢出方面的问题，如果不了解虚拟机是怎样使用内存的，那么排查错误将会是一件异常艰难的工作。
本章将从概念上介绍java虚拟机内存的各个区域，讲解这些区域的作用、服务对象以及其中可能产生的问题，这是翻越java虚拟机内存管理这堵围墙的第一步、
2.2运行时数据区域
java虚拟机在java程序执行过程中把它所管理的内存划分为若干个不同的区域。这些区域都有各自的用途，以及创建的销毁时间，有的区域随着虚拟机的启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。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。
方法区、虚拟机栈、本地方法栈、堆、程序计数器PC。方法区和堆是线程共享的，其他的是线程隔离的数据区。
2.2.1 程序计数器
它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。在虚拟机的概念里(仅仅是概念模型)，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，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。
由于java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器(对于多核处理器来说是一个内核)都只执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类区域为“线程私有”的内存。
如果线程正在执行的是一个java方法，这个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，这个计数器值则为空(undefined)。此内存区域是唯一一个在java虚拟机中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。
2.2.2 java虚拟机栈
java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)也是线程私有的，生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧(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到执行完成的过程，就对应这一个栈帧在虚拟机中入栈和出栈的过程。
经常会有人把java内存分为堆内存和栈内存，这种分法比较粗糙，java内存区域的划分实际上远比这复杂。这种划分方式的流行只能说明大部分程序员关注的、与对象内存分配关系最密切的就是这两块区域。其中所指的“堆”在后面会详细讲述，而所指的栈就是现在讲的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。
局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型、对象引用(它不等同于对象本身，可能是)一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与词对象相关的位置)和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)。
在java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：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；如果虚拟机栈可以动态扩展(当前大部分虚拟机都可以动态扩展，java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈)，如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError。
注：栈帧是方法运行时的基础数据结构，在第八章会对栈帧进行详细讲解。
2.2.3 本地方法栈
本地方法栈(Native Method Stack)与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，区别不过是虚拟机执行java方法(也即是字节码)服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的native方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机(譬如sun公司的Sun HotSpot虚拟机)直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemeryError异常。
2.2.4 java堆
java堆是java虚拟机所管理的的内存中最大的一块，java堆是所有线程共享的内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存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。这一点在java虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配。但是随着JIT编器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换等优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么”绝对”了。
java堆是垃圾收集器管理的主要区域，也就是“主战场”，因此很多时候也被称为“GC堆”(Garbage Collected Heap)。从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致点的有：eden空间、from、survivor空间、to survivor空间等。从内存分配的角度来看，线程共享的java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区(thread local allocation buffer，TLAB)。不过无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的仍然是对象实例，进一步划分的目的是为更好的回收内存，或者更快地分配内存。在本章中，仅仅针对内存区域的作用进行讨论，java堆中的上述各个区域的分配、回收等细节将是第三章的主题。
根据java虚拟机规范的规定，java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑是连续的就可以，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的(通过-Xmx和-Xms控制)。如果在堆中没有完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。
注：1，java虚拟机规范原文：The heap is the runtime data area from which memory for all class intances and arrays is allocated。
2，逃逸分析技术与标量替换的相关内容，在第11章详细分析。
2.2.5 方法区
方法区(method area)与java堆一样，是各个线程共享的内容区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常理、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然java虚拟机规范把方法区描述为对的一逻辑部分，但是它却有一个别名叫”非堆”(non-heap)，目的是与java堆区分开来。
对于习惯在hotspot虚拟机上开发、部署程序的开发者来说，很多人更愿意把方法区称为“永久代”(permanent generation)，本质上两者并不等价，仅仅是因为hotspot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样hotspot的垃圾收集器可以像管理java堆一样管理这部分内存，能够省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。对于其他虚拟机来说，是不存在永久代的概念的。原则上，如何实现方法区属于虚拟机实现细节，不受虚拟机规范约束，但使用永久代来实现方法区，现在看来并不是一个好主意，因为这样更容易遇到内存溢出问题(-XX:MaxPermSize的上限)。
java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样”永久“存在了。这区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说，这个区域的回收”成绩“比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是必要的。早sun的BUG列表中，会出现过的若干个严重的bug就是由于低级别的hotspot虚拟机对此区域未完全回收而导致内存泄露。
注：根据虚拟机规范，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OOM异常。
2.2.6 运行时常量池
是方法区的一部分，class文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息之外，还有一项是常量池(constant pool table)，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。
运行时常量池对于class文件常量池的另外一个重要特诊是具备动态性，java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是并非预置入class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用的较多的便是string类的intern()方法。
既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出outofmemory异常。
2.2.7 直接内存
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。但是这部分内存也被频繁使用，而且也可能导致oom异常，所以在这里一起学习。
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堆中的directbytebffer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中来回复制数据。
显然，本机直接内存的分配不会受到java堆大小的限制，但是，既然是内存，肯定还是会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常忽略直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制(包括物理的和操作系统级的限制)，从而导致动态扩展时出现oom异常。
2.3 hotspot虚拟机对象探秘
介绍完java虚拟机的运行时数据区后，我们大概知道了虚拟机内存的概况，读者了解了内存中放了些什么后，也许会想进一步了解这些虚拟机内存中数据的其他细节，譬如他们是如何创建、如何布局以及如何访问的。对于这样设计细节的问题，必须把讨论范围限定在具体的虚拟机和集中在某一个内存区域才有意义。基于实用优先的原则，这里以常用的虚拟机hotspot和常用的java堆为例，深入探讨hotspot在堆中对象分配、布局和访问的全过程。
2.3.1 对象的创建
在语言层面上，创建对象通常仅仅是一个new关键字而已，而在虚拟机中，对象的创建又是一个怎样的过程呢？
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。如果没有那就必须执行相应的类的加载过程，第七章将详细讲解。
类的加载通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存，对象所需内存将在类加载完成后便可完全确定(如何确定将在2.3.2中介绍)，为对象分配内存的任务等同于把一块确定大小的内存从java堆中划分出来。假设java堆是绝对规整的，所有用过的内存都在一边，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，那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式成为”指针碰撞”,