深入理解java虚拟机-java内存区域

Java把内存的管理交给了虚拟机，由虚拟机来自动管理内存。所以需要了解java虚拟机内存的管理机制，才能更好的编写程序。

内存区域

java虚拟机在执行程序时会把它所管理的内存分为以下区域：

1. 方法区
2. 虚拟机栈
3. 本地方法栈
4. 堆

5. 程序计数器

   程序计数器：
   程序计数器是一个很小的内存空间，我们知道程序是有一大堆指令和数据构成的，程序计数器则是来指向当前正在执行指令的地址;但是有一点要注意，如果执行的是navtive方法，那么这个计数器则为空。而且每个线程都有一个独立的程序计数器。
   Java虚拟机栈和本地方法栈：
   我们知道栈的特性是先进后出，我们调用一个方法，然后会创建一个栈帧，栈帧会压入栈中，栈帧来用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息。java虚拟机栈和本地方法栈的区别在于虚拟机栈执行的是java方法，而本地方法栈则是执行的native方法。在栈区有一定的深度，如果无法申请到足够内存，那么就会栈溢出或者内存溢出。
   Java堆：
   栈是线程私有的区域，而堆则是线程共享的区域。所有的对象基本都是在堆上分配内存。java堆是垃圾收集器主要管理的区域，我们知道c语言中的堆，我们可以用malloc来申请内存空间，我们用free来释放空间，而java虚拟机中的堆区是由虚拟机来自动管理的，用垃圾回收器来进行回收。
   方法区：
   方法区也是线程共享的内存区域，它被用于存储被虚拟机加载的类，常量，静态变量，即时编译器编译后的代码和数据。HotSpot把GC分代拓展到了方法区，把方法区归为了永久代，这样不会对这块内存空间进行回收。但是到了jdk1.7，htospot将原有放在永久代中的字符串常量池移了出来，gc也可以对常量池进行回收，所以不能说方法区内的东西不会被回收。
   直接内存:
   直接内存不是虚拟机运行时数据区的一部分，是由native函数库直接分配的堆外内存，通过存储在java对中的directbytebuffer来引用这块内存。
   对象创建：
   java的对象创建，将对象分配在java堆区。分配的方式有两种，一种是指针碰撞，一种是空闲列表；如果java堆的内存是规整的，那么通过移动指针的方式来分配内存，也就是指针碰撞；如果不是规整的，那么通过记录一张空间列表的方式来分配内存，就是将内存分配的区域记录到一张表上。在指针碰撞分配内存空间的过程中，多线程环境下 会有移动指针并发的问题，两种办法解决这个问题：一是采用CAS配上重试来保证操作原子性，第二种是给每个线程预先分配一块本地线程分配缓冲。内存分配完之后，虚拟机需要将分配的内存空间初始化为零，接着对对象进行设置，将对象的信息保存在对象头中。但对于程序来说，只有放init方法执行完后，才产生了一个真正的对象。对象在内存中分为对象头，实例数据和内存的对齐填充。

对象的访问定位

我们知道在c语言中，malloc申请的空间是分配在堆区，返回的指针我们可以作为一个局部变量存在栈区。
在java中，有两种访问方式，一种是使用句柄，另一种是直接指针。
句柄访问:
句柄访问的方式是将堆划分为句柄池和实例池，将java实例对象放在实例池中，划分出一块内存来作为句柄池，句柄包含了指向了对象实例的指针（实例池，堆）和指向对象类型数据的指针（方法区）。在栈中保留一个reference引用类型，指向这个句柄的地址。这种方式的好处就是：当java对象移动时不需要改变栈reference的值（在进行垃圾回收时对象的移动非常频繁），只需要改变句柄中指向对象实例的指针值。

直接指针：
直接指针的方式是直接将对象存在java堆中，而这个实例对象还需要留一块区域来保存指向对象类型数据的指针，同时这个实例对象保存实例数据。栈中保留一个reference类型指向这个实例对象。这种方式的好处就是访问java对象的时候比较快。

在hotspot虚拟机中是采用第二种方式来进行对象访问，也就是说直接指针访问方式。

内存溢出

堆内存溢出：
当对象实例化超出堆的大小时，就会产生内存溢出异常。
栈溢出：
首先在hotspot中不区分虚拟机栈和本地方法栈，在虚拟机规范中定义了两种异常：
如果线程请求的栈深度超出虚拟机允许范围，则抛出StackOverFlowError异常；
如果虚拟机在拓展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常。
然而在单线程的环境下往往抛出的是StackOverFlowError异常.在多线程下，当无法给线程分配内存空间时，会抛出OutOfMemoryError异常。
方法区内存溢出：
方法区的内存溢出主要分为两部分：一部分为运行时常量池的溢出，也就是常量过多产生的内存溢出；和产生的类型数据过多产生的内存溢出，例如动态代理产生代理类，不断产生代理类，使方法区产生了内存溢出。
直接内存区：
通过Unsafe分配内存会直接会产生本地直接内存溢出异常。可以通过-XX:MaxDirectMemorySize设置大小。因为直接内存不属于虚拟机内存数据范围，所以直接内存产生的异常在heap dump文件中看不见明显的异常。