第一章 Java内存区域与内存溢出异常

　　对于Java程序员来说，在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，不需要为一个new出来的对象写配对的delete/free代码，不容易出现内存泄漏或者内存溢出的问题。但是，由于Java程序员将控制内存的权利交给了Java虚拟机，一旦出现内存泄漏或内存溢出的问题，如果不了解Java虚拟机是怎样使用内存的，那么排查错误，修正问题就是一件艰难的工作

　　1 运行时区域

　　根据《Java虚拟机规范的规定》，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。

　　1.1 程序计数器

　　程序计数器（Program Counter Register）是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

　　字节码解释器工作时通过改变计数器的值来读取下一条需要执行的字节码指令，它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完成。

　　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实现的，在任何时刻，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，所以，程序计数器是“线程私有”的内存。

　　1.2 Java虚拟机栈

　　Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息（虚拟机字节码执行引擎一章会详细介绍）。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，在运行期间不会改变局部变量表的大小。

　　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。

　　1.3 本地方法栈

　　本地方法栈（Native Method Stacks）为虚拟机使用到的本地方法服务；虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（字节码）服务。

　　《Java虚拟机规范》对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有任何强制规定，具体的虚拟机可以根据需要自由实现。

　　1.4 Java堆

　　几乎所有的对象实例以及数组都在堆上分配。Java堆是垃圾收集器管理的内存区域，因此也成为“GC堆”。

　　如果从内存回收的角度，Java堆可以被划分为“新生代”，“老年代”，“永久代”，“Eden”，“Survivor”等等，但是，随着垃圾回收器技术的进步，也出现了不采用分代设计的新垃圾收集器。

　　如果从内存分配的角度看，所有线程共享的Java堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer, TLAB），以提升对象分配时的效率。

　　然而，无论从什么角度，如何划分，都不会改变Java堆存储的只能是对象的实例。

　　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。但是对于大对象（典型的如数组对象），多数虚拟机实现出于实现简单、存储高效的考虑，还是会分配连续的内存空间。

　　Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法在扩展时，Java虚拟机会抛出OutOfMemoryError异常。

　　1.5 方法区

　　方法区与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，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。如果方法区无法满足新的内存分配需求时，会抛出OutOfMemoryError异常。

　　1.6 运行时常量池

　　运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表，用于存放编译器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在方法区的运行时常量池中。

　　Java虚拟机对于Class文件每一部分（包括常量池）的格式有严格规定，如每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才能被虚拟机认可、加载和执行，但对于运行时常量池，不同供应商的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个内存区域。

　　运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，即运行期间可以将新的常量放入池中，如String类的intern（）方法，参见博客：https://tech.meituan.com/2014/03/06/in-depth-understanding-string-intern.html。

　　2. HotSpot虚拟机中的对象

　　 本章介绍HotSpot虚拟机在Java堆中对象分配、布局和访问的全过程。

　　2.1 对象的创建

　　当Java虚拟机遇到一条字节码new指令时，首先将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，会先执行相应的类加载过程。

　　在类加载检查通过后，虚拟机将为新生对象分配内存。

• 如果堆中内存是绝对规整的，所有被使用过的内存放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点指示器，那所分配内存就仅仅是把指针向空闲空间方向挪动一段与对象大小相同的距离，称为指针碰撞。
• 如果堆中内存并不是规整的，虚拟机必须维护一个列表，记录哪些内存块可用的，在分配时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，称为空闲列表。

　　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，使用指针碰撞的分配算法。当使用CMS这种基于清除算法的收集器时，采用空闲列表来分配内存。

　　在并发情况下，内存分配并不是线程安全的，可能出现在给对象A分配内存，指针还没来得及修改，对象B又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。有两种解决办法：

• 虚拟机通过CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性
• 把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，称为本地线程分配缓冲（TLAB）。只有本地缓冲区用完了，分配新的缓冲区时才需要同步锁定。

　　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、如果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。这些信息存放在对象的对象头（Object Header）之中。

　　在上面工作都完成后，从虚拟机的视角，一个新的对象就产生了。但是从Java程序的视角来看，对象创建才刚刚开始——构造函数，即class文件中的<init>()方法需要执行，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构造出来。

　　2.2 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、实例数据和对齐填充。

　　对象头部分包含两类信息。第一类是用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码、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。对象需要存储的运行时数据很多，其实已经超过了32、64位Bitmap结构所能记录的最大限度，考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word被设计成一个有着动态定义的数据结构，以便在极小的空间内存储尽量多的数据，根据对象的状态复用自己的存储空间。对象头的另外一部分是类型指针，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。

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

　　由于HotSpot虚拟机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，即，任何对象的大小必须是8字节的整数倍，如果实例数据部分没有对齐的话，需要对齐填充来补全。

　　2.3 对象的访问定位

　　Java程序中通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象：

• 句柄访问  Java堆中会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的是对象的句柄地址，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
• 直接指针访问  reference中存储的直接就是对象地址

　　句柄访问的优点是reference中存储的是稳定句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时，只会改变句柄的实例数据指针。

　　直接指针访问的优点是速度更快，HotSpot虚拟机使用第二种方式进行对象访问。