深入理解java虚拟机（一）：Java 内存区域与内存溢出异常

参考博客
http://blog.csdn.net/dongyuxu342719/article/details/78809049

一、运行时数据区域

1、线程隔离的数据区

• 程序计数器（Program Counter Register）
  • 当前线程所执行代码的行号指示器
  • 每个线程有一个独立的程序计数器
• 虚拟机栈（VM Stack）
  • 线程私有，生命周期等同于线程
  • 每个方法在执行的同时会创建一个帧栈
  • 储存局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。最重要的是局部变量表，也是大家常常讨论的“栈”空间。
• 本地方法栈（Native Method Stack）
  • 本地方法栈类似于虚拟机栈，只不过虚拟机栈为虚拟机执行的java方法服务，本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务

Notice：

1. HotPot 的实现合并了本地方法栈和虚拟机栈

2、由线程共享的数据区

• 堆（Heap）
  • 线程共享，虚拟机不关闭生命就不会结束。因此需要对此空间进行管理，是垃圾收集机制（GC）的主要区域。
  • 绝大部分对象实例及数组都要在堆上分配内存
• 方法区（Method Area）
  • 线程共享，用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。
• 运行时常量池（Runtime Constant Pool）
  • 方法区的一部分，用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用
• 直接内存（Direct Memory）
  • 直接分配堆外内存，不属于虚拟机运行时数据区。
  • 避免在Java堆和Native堆中来回复制数据，在某些场景能显著提高性能。如NIO中的通道（Channel）与缓冲区（Buffer）。

Notice：

1. 为什么GC的主要区域是Heap：动态创建的对象都在Heap上为其实例分配内存。Stack在方法和局部代码调用完成后释放帧栈空间，但Heap生命周期与虚拟机相同，内存不能自动释放。C/C++中程序员往往在代码中显示调用 free/delete 释放堆中对象的空间，操作繁琐，且容易发生内存泄漏。java 虚拟机的自动垃圾收集机制则能自动释放不需要用到的对象实例，实现堆内存的自动管理。

2. 已加载类的基本信息和方法储存在方法区
3. 常量（final）和静态变量（static）储存在方法区。问题：局部变量声明final，储存在哪个区域（堆、方法区、虚拟机栈）。
4. Object 和 Array 的实例在堆中分配内存，并在相应的位置（如栈）创建引用。没有有效引用将被GC。

5. HotPot 的实现把方法区合并到了堆的永久代区（Permanent Generation）。
6. 如何实现方法区是虚拟机的技术实现细节，但是使用永久代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泄漏问题。JDK 1.7 的 HotPot 中，已经把原本放在永久代的字符串常量池移出。

二、HotPot 虚拟机对象探秘

1、对象的内存布局

1. 对象头（Header）
   1. （Mark Word）对象自身的运行时数据：如哈希码（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：对象指向元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。数组还会记录数组的长度。
2. 实例数据（Instance Data）
   1.各种成员变量，包括父类继承的和子类定义的。
3. 对齐填充（Padding）
   1. HotPot VM 要求对象起始地址必须是8字节的整数倍
   2. 对象实例数据没有对齐时，用对齐填充补全。

2、对象的访问定位

• 句柄
  • 如果使用句柄访问，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和类型数据各自的具体地址信息。
  • 句柄来访问的最大好处是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是很普遍的行为）时,只会修改句柄中的实例数据的指针，而reference本身不需要修改。

通过句柄访问对象

• 直接指针
  • 如果使用直接指针访问，那么Java堆对象的布局中就必须考虑如何存放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。
  • 使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它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也是一项非常可观的执行成本。
  • 就HotSpot虚拟机而言，它是使用直接指针进行对象访问的。

通过直接指针访问对象

三、堆栈溢出异常

1、对应参数：

• -Xms 堆的最小值
• -Xmx 堆的最大值
• -Xss 栈容量
• -Xoss 本地方法栈（HotPot 无效，因为没有设置单独的本地方法栈）
• -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M 永久代
• -XX:MaxDirectMemorySize=10M 直接内存
• -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 让虚拟机在出现内存溢出异常时Dump出当前的内存堆转储快照以便事后分析。

2、Java 堆溢出

• java.lang.OutOfMemoryError：Javaheap space

• 要解决这个区域的异常，一般的手段是先通过内存映像分析工具（如Eclipse Memory Analyzer）堆Dump出来的堆转储快照进行分析，重点是确认内存中的对象是否是必要的，也就是要分清楚到底是内存泄露还是内存溢出。

• 如果是内存泄露，可进一步通过工具查看泄露对象到GCRoots的引用链。于是就能找到泄露对象是通过怎样的路径与GCRoots相关联并导致垃圾收集器无法对他们进行回收的。掌握了泄露对象的类型信息及GC Roots引用链信息，就可以比较准确的定位到泄露代码的位置。

• 如果不存在泄露，换句话说，就是内存中的对象确实都是必须要存活的，那就应当检查虚拟机的堆参数（-Xms和-Xmx），与机器的物理内存对比看是否还可以调大，从代码上检查是否存在某些对象生命周期过长，持有状态过长的情况，尝试减少程序运行期的内存消耗。

3、虚拟机栈和本地方法栈溢出

• java.lang.StackOverflowError ：某线程中线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度

• java.lang.OutOfMemoryError:unable to create new native thread：申请多线程时栈容量不够

• 因为操作系统分配给每个进程的内存是有限制的，比如32位Windows系统限制为2GB。虚拟机提供了参数来限制Java堆和方法区这两部分的最大值。剩余的内存为2GB（操作系统限制）减去Xmx（最大堆容量），再减去MaxPermSize（最大方法区容量），程序计数器消耗内存很小，可以忽略掉。如果虚拟机本身消耗的内存不计算在内，剩余的内存就是由虚拟机栈和本地方法栈瓜分掉了，每个线程分配到的栈容量越大，可以建立的线程数量自然就越少，建立线程时就越容易把内存耗尽。

• 所以，如果是建立过多线程导致的内存溢出，在不能减少线程数量或更换64位操作系统的情况下，可以通过减小最大堆和减小栈容量来换取更多的线程。如果没有这方面的处理经验，这种通过“减少内存”的手段来解决内存溢出的方式会很难想到。

4、方法区和运行时常量池溢出

• java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space

• HotPot中方法区和常量池都存放在永久代。

• 运行时常量池：字符串和整型等常量池数据的存放方式在 JDK 1.7 中有一定的调整，因此表现与 JDK 1.6 会有所不同。如 intern()方法。

• 方法区溢出：方法区溢出也是一种常见的内存溢出异常，一个类要被垃圾回收器回收的条件是非常苛刻的。在经常生成大量Class的应用中，需要特别主要类的回收情况。比如：程序中使用了CGLib字节码增强和动态语言（Spring、Hibernate等主流框架）、大量JSP或动态生成JSP文件的应用（JSP第一次运行时需要编译为Java类），基于OSGi的应用（即使是同一个类文件被不同的类加载器加载也会被视为不同的类）等。

5、本机直接内存溢出

• java.lang.OutOfMemoryError

• DirectMemory容量可通过-XX:MaxDirectMemorySize指定，如果不指定，则默认与Java堆最大值（-Xmx指定）一样，可以直接通过反射获取Unsafe实例进行内存分配（Unsafe类的getUnsa()方法限制了只有引导类加载器才会返回实例，也就是设计者希望只有rt.jar中的类才能使用Unsafe的功能）。

• 由DirectMemory导致的内存溢出，一个明显的特征是在Heap Dump文件中不会看见明显的异常，如果发现OOM之后Dump文件很小，而程序中又直接或间接的使用了NIO，那就可以考虑检查一下是不是这方面的原因。

四、Intern() 方法

不必太纠结于 intern() 方法，这个例子只是告诉我们，虚拟机底层的不同实现，会影响某些代码的结果。高版本的虚拟机对低版本做了一些优化，效率更高。

public class RunTimeConstantPool {
    public static void main(String [] args){
        String str1=new StringBuilder("计算机").append("软件").toString();
        System.out.println(str1.intern()==str1);
        String str2=new StringBuilder("ja").append("va").toString();
        System.out.println(str2.intern()==str2);
    }
}

这段代码在JDK1.6中运行，会得到两个false，而在JDK1.7及以后的版本运行，会得到一个true和一个false。 产生差异的原因是：在JDK1.6中intern()会把首次出现的字符串复制到永久代中，返回的也是永久代中这个字符串实例的引用，而由StringBuilder创建的字符串实例在堆中，所以必然不是同一个引用，将返回false。而在JDK1.7中的intern()实现不会再复制实例，只是在常量池中记录首次出现的实例引用，因此intern()返回的引用和StringBuilder创建的那个字符串是同一个。对str2比较返回false是因为”java”这个字符串在执行StringBuilder.toString()之前已经出现过，字符串常量池中指向的是第一次出现的引用，所以和str2不相同。

JDK 1.6:intern()

image

• new str1：对应步骤1，在堆中为字符串分配内存，并在栈中创建引用
• str1.intern()：对应步骤2，在JDK1.6中intern()会把首次出现的字符串复制到永久代中(从实例2 copy 实例3)，返回的也是永久代中这个字符串(str.intern()返回实例3)。
• new str2：对应步骤3，在堆中为字符串分配内存，并在栈中创建引用
• str2.intern()：对应步骤4，由于实例4不是首次出现的”java”字符串对象，因此永久代的实例5是从首次出现的实例1复制而来，str2.intern() 返回实例5。

JDK 1.7:intern()

image

• new str1：对应步骤1，在堆中为字符串分配内存，并在栈中创建引用
• str1.intern()：对应步骤2，JDK1.7中的intern()实现不会再复制实例，只是在常量池中记录首次出现的实例引用，如图在永久代记录实例2的引用，str1.intern() 返回引用3
• new str2：对应步骤3，在堆中为字符串分配内存，并在栈中创建引用
• str2.intern()：对应步骤4，由于实例4不是首次出现的”java”字符串对象，因此永久代记录实例1的引用，str2.intern() 返回引用4。