4、带着问题学习JVM_JVM自动内存管理(运行时数据区域、堆外内存)

    JVM自动内存管理包含两部分：运行时数据区域、直接内存(Direct Memory 也被称为堆外内存)。其中运行时数据区域包含两部分：线程私有区域、线程共享区域，下面将逐一介绍：
1、运行时数据区域
    1.1 线程私有区域
        线程私有区域生命周期与用户线程相同,随用户线程的启动而创建，结束而销毁。(在 Hotspot VM 内, 每个线程都与操作系统的本地线程直接映射, 因此这部分内存区域的存/否跟随本地线程的生/死对应)

    1.2 线程私有区域包含哪些内容？
        1）程序计数器（Program Counter Register）
           问题1：程序计数器的用途是什么？
                它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的，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）都只会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，每条线程都需要有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。

           问题2：程序计数器服务的对象？
                a.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；
                b.如果线程正在执行的是本地Native方法，这个计数器值则应为空(Undefined)
           备注：此内存区域是唯一 一个在《Java虚拟机规范》中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域

           问题3：程序计数器的生命周期？
                程序计数器的生命周期与线程相同, 依赖用户线程的启动/结束 而 创建/销毁。

        2）虚拟机栈：
            问题1：虚拟机栈的用途是什么？
                 虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型，每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程，虚拟机栈为执行 Java 方法(也就是字节码)服务。
                 a.局部变量表：存放了编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型、对象引用、和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）
                 b.数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，其中64位长度的long和double类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。
                 c.HotSpot虚拟机的栈容量是不可以动态扩展的，以前的Classic虚拟机倒是可以。所以在HotSpot虚拟机上是不会由于虚拟机栈无法扩展而导致OutOfMemoryError异常——只要线程申请栈空间成功了就不会有OOM，但是如果申请时就失败，仍然是会出现OOM异常的。

            问题2：虚拟机栈中的两类异常
                a.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；
                b.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。

            问题3：虚拟机栈的生命周期？
                虚拟机栈的生命周期同程序计数器。

        3）本地方法区/栈：
            问题1：本地方法区/栈的用途？
                   本地方法栈则为Native 方法服务
            问题2：本地方法栈的两类异常？
                   同虚拟机栈
            问题3：本地方法区或者栈的生命周期？
                   同程序计数器
2、线程共享区域：随虚拟机的启动/关闭而创建/销毁，包含堆和方法区两部分。
    2.1 堆
        堆的概述：是被线程共享的一块内存区域，创建的对象和数组都保存在 Java 堆内存中，也是垃圾收集器进行垃圾收集的最重要的内存区域。由于现代 VM 采用分代收集算法, 因此 Java 堆从 GC 的角度还可以细分为: 新生代、老年代。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，但在逻辑上它应该被视为连续的。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
       2.1.1Eden(新生代)
            问题1：新生代的用途？
                   新生代是用来存放新生的对象，一般占据堆的1/3空间。由于频繁创建对象，所以新生代会频繁触发MinorGC 进行垃圾回收。
            问题2：新生代是如何划分的，及各个区用来做什么？
                   新生代分为 Eden 区、ServivorFrom、ServivorTo 三个区（空间分配比例是8：1：1），这三个区的作用分别如下：
                   a.Eden区：java新对象的出生地（如果新创建的对象占用内存很大，则直接分配到老年代）。当Eden区内存不够的时候就会触发MinorGC，对新生代区进行一次垃圾回收。
                   b.ServivorFrom区：保留了一次 MinorGC 过程中的幸存者
                   c.ServivorTo区 ：将上一次 GC 的幸存者，作为这一次 GC 的被扫描者

       2.1.2 old Generation(老年代)
            问题1：老年代的用途？
                   主要存放应用程序中生命周期长的内存对象(由minor gc晋升过来的对象或者新创建的大对象也会直接放入老年代)
            问题2：MajorGC的特点？
                   a.老年代的对象比较稳定，所以MajorGC不会频繁执行
                   b.在进行MajorGC前一般都先进行了一次MinorGC，使得有新生代的对象晋身入老年代，导致空间不够用时才触发。
                   c.当无法找到足够大的连续空间分配给新创建的较大对象时也会提前触发一次MajorGC进行垃圾回收腾出空间。
    2.2 方法区
       方法区概述：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。虽然《Java虚拟机规范》中把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫作“非堆”（Non-Heap），目的是与Java堆区分开来。

       2.2.1 方法区为什么又被称为永久代？
            在JDK 8以前，许多Java程序员都习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序，很多人都更愿意把方法区称呼为“永久代”（Permanent Generation），或将两者混为一谈。本质上这两者并不是等价的，因为仅仅是当时的HotSpot虚拟机设计团队选择把收集器的分代设计扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样使得HotSpot的垃圾收集器能够像管理Java堆一样管理这部分内存，省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。但是对于其他虚拟机实现，譬如BEA JRockit、IBM J9等来说，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《Java虚拟机规范》管束，并不要求统一。但现在回头来看，当年使用永久代来实现方法区的决定并不是一个好主意，这种设计导致了Java应用更容易遇到内存溢出的问题（永久代有-XX：MaxPermSize的上限，即使不设置也有默认大小，而J9和JRockit只要没有触碰到进程可用内存的上限，例如32位系统中的4GB限制，就不会出问题），而且有极少数方法（例如String::intern()）会因永久代的原因而导致不同虚拟机下有不同的表现。
            运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分，Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把由符号引用翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中 。
            Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是说，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，运行期间也可以将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法。

       2.2.1 HotSpot 中方法区的发展史：
            a.在JDK 6的时候HotSpot开发团队就有放弃永久代，逐步改为采用本地内存（Native Memory）来实现方法区的计划了
            b.到了JDK 7的HotSpot，已经把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移出。
            c.到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

       2.2.2 方法区的内存回收
            方法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效果比较难令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收有时又确实是必要的。如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常

3、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地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。
    3.1 直接内存的引入：
       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。这样就避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据，可一定程序上显著提高性能。

    3.2 直接内存分配：
       本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是是会受到本机总内存（包括物理内存、SWAP分区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制

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