Java内存区域与内存溢出异常

1. 虚拟机自动管理机制

• Java

  • 虚拟机自动管理机制，新建对象的维护回收由虚拟机自动完成
  • 不容易出现内存泄漏和内存溢出问题
  • 一旦出现内存泄漏和溢出，不了解虚拟机内存使用，很难排查修正错误

• C/C++

  • 人为管理内存，需要手动创建和维护对象

2. 运行时数据区域

• 定义：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

• 特点：

  • 这些区域有各自的用途， 以及创建和销毁的时间
  • 有的区域随着虚拟机进程的启动而一直存在
  • 有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁

• 组成：
  

  JVM组成.png

  • 程序计数器

    • 本质
      • 一块较小的内存空间
    • 原理
      • 如果执行一个Java方法，计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址
      • 如果执行的是本地方法，计数器值则为空（undefined）
    • 作用
      • 当前线程所执行的字节码的行号指示器，解释器通过改变计数器的值来选取下一条字节码指令
      • 程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等都依赖计数器来完成
    • 特点
      • 线程私有的内存，多线程情况下，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都有一个独立的程序计数器，互不影响，独立存储
    • 异常
      • 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

  • Java虚拟机栈

    • 本质

      • 线程私有的内存空间
      • 生命周期与线程同步

    • 原理/作用

      • 虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型
      • 每个方法被执行时，Java虚拟机都会同步创建一栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出后等信息
      • 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

    • 局部变量表

      • 存储内容
        • 存放编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型，boolean、byte、char、short、int、float、long、double
        • 对象引用，reference类型，可能是指向对象起始地址的引用指针或指向代表对象的句柄或者其他于此对象相关的位置
        • returnAddress类型，指向了一条字节码指令的地址
      • 存储单位
        • 这些数据在局部变量表的存储空间以局部变量槽来表示
        • 64位长度的long和double类型占用两个变量槽，其他数据只占用一个
      • 变量槽分配
        • 局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配
        • 当进入一个方法时， 这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间（变量槽的数量）是完全确定的，在运行期间不会改变
        • 虚拟机真正使用多大的内存空间来实现一个变量槽， 这是完全由具体的虚拟机实现自行决定的

    • 异常

      • 《Java虚拟机规范》对此内存区域规定了两类异常状况
      • 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
      • 当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；而HotSpot虚拟机的栈容量是不可以动态扩展，所以当线程申请栈空间失败时，就会出现StackOverflowError异常

  • 本地方法栈

    • 本质
      • 线程私有的内存空间
    • 原理/作用
      • 与虚拟机栈相似
    • 本地方法栈和Java虚拟机栈区别
      • Java虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务
      • 本地方法栈为虚拟机使用到的本地方法服务
    • 特点
      • 《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它，甚至有的Java虚拟机（譬如HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一
    • 异常
      • 栈深度溢出，抛出StackOverflowError异常
      • 栈扩展失败，抛出OutOfMemoryError异常

  • Java堆

    • 本质
      • 所有线程共享的一块内存区域
      • Java堆是垃圾收集器管理的内存区域
      • 在虚拟机启动时创建
    • 原理/作用
      • 唯一目的是存放对象实例
    • 内存分配
      • Java堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区，以提升对象分配时的效率
    • 内存回收
      • 采用分代收集理论设计的垃圾收集器，将Java堆划分为新生代、老年代、永久代等
      • 不采用分代设计的垃圾收集器

    细分Java堆的目的只是为了更好的回收内存，或者更快的分配内存

    • 特点
      • 虚拟机所管理内存中最大的一块
      • 物理上不连续，逻辑上连续的内存空间
      • Java堆可实现为固定大小的，也可是可扩展的（通过参数-Xmx和-Xms设定）；当前主流Java虚拟机都是按照可扩展来实现
    • 异常
      • 如果Java堆中没有内存来完成实力分配，且无法再扩展时，会抛出OutOfMemoryError异常

  • 方法区

    • 本质
      • 线程共享内存区域
    • 作用
      • 存储已被虚拟机加载的每个类的信息（包括类的名称、方法信息、字段信息）、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据
    • 内存回收
      • 该区域内存回收主要是针对常量池的回收和对类型的卸载
      • 回收效果不令人满意，但是必要
    • 特点
      • 《Java虚拟机规范》把方法区描述为Java堆的一个逻辑部分，物理上别名为“非堆”，与堆区分开
      • 不需要连续的内存
      • 可以选择固定大小或者可扩展
      • 可选择不实现垃圾收集
    • 异常
      • 如果方法区无法满足新的内存分配需求，将抛出OOM异常
    • 发展
      • 在JDK 6之前，HotSpot虚拟机使用永久代（Permanent
        Generation）实现方法区
      • 在JDK 6时，HotSpot虚拟机开发团队就有放弃永久代，逐步用本地内存（Native Memory）来实现方法区的计划
      • 到JDK 7，HotSpot虚拟机把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移到堆中
      • 到JDK 8，HotSpot虚拟机完全废弃永久代概念，改用在本地内存实现的元空间（Metaspace）来代替，把JDK 7中永久代还剩余的内容（主要是类的信息）全部移到元空间中

  • 运行时常量池

    • 本质
      • 方法区的一部分
    • 作用
      • 存放常量池表，常量池表用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用
      • 在类加载后这类信息被存放到方法区的运行时常量池中
    • 特点
      • 《Java虚拟机规范》对运行时常量池没有做任何细节要求，可按照自己的需求来实现
      • 一般除了保存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保存在此区域
      • 具备动态性，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
    • 异常
      • 当常量池无法再申请到方法区内存时会抛出OutOfMemoryError异常

  • 直接内存

    • 本质
      • 本机内存
      • 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》定义的内存区域
    • 原理/作用
      • NIO类的I/O方式，可以使用Native函数库直接分配堆外内存
      • 再通过一个存储在Java堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作
    • 异常
      • 本机直接内存受到本机总内存（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，当虚拟机各内存区域总和大于物理内存限制，会导致动态扩展时出现OOM异常

3. HotSpot虚拟机对象探秘

• 对象的创建

  • 类加载检查

    • 当Java虚拟机遇到new指令，首先检查该指令参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用
    • 并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

  • 分配内存

    • 为对象分配空间任务实际上等同于把一块确定大小的内存块从堆里划分出来

    • 对象所需内存的大小在类加载完成后便已确定

    • 分配方法

      • 指针碰撞，Java堆中内存绝对规整，所有被使用过的内存都被放在一边，空闲的内存被放在另一边，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方向挪动一段与对象大小相等的距离
      • 空闲列表，Java堆中的内存并不是规整的，已被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在分配的时候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

      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（Compact） 的能力决定；Serial、ParNew等收集器带有空间压缩整理，而CMS则没有。

    • 分配线程安全

      对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的，可能出现正在给对象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

      • 一种是对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机是采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性
      • 一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（Thread Local AllocationBuffer，TLAB），哪个线程要分配内存，就在哪个线程的本地缓冲区中分配，只有本地缓冲区用完了，分配新的缓存区时才需要同步锁定

      虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX：+/-UseTLAB参数来设定

  • 内存空间（不包括对象头）初始化为零值

    • 使用了TLAB的话，这一项工作也可以提前至TLAB分配时顺便进行
    • 保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，使程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值

  • 对象信息设置

    • 对象设置，例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码（实际上对象的哈希码会延后到真正调用Object::hashCode()方法时才 计算）、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，而且根据虚拟机当前运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式

  • 对象初始化

    • 以上流程只是完成了构造函数，所有的字段都为默认的零值，对象需要的其他资源和状态信息也还没有按照预定的意图构造好
    • 一般来说，new指令之后会接着执行init()方法，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被构造出来

• 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（Header）

    • 第一类是用于存储对象自身的运行时数据
      • 包括哈希码（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
      • 这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32个比特和64个比特，官方称它为“Mark Word”
        • 对象需要存储的运行时数据很多，已经超出32/64位Bitmap结构所能记录的最大限度
        • 这些信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本
        • 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
    • 另外一部分是类型指针，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
      • 不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针
      • 如果对象是一个Java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据

  • 实例数据（Instance Data）

    • 对象真正存储的有效信息，即程序代码里面所定义的各种类型的字段内容
    • 这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数（-XX：FieldsAllocationStyle参数）和字段在Java源码中定义顺序的影响
      • HotSpot虚拟机默认的分配顺序为longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers，OOPs）
      • 从以上默认的分配策略中可以看到，相同宽度的字段总是被分配到一起存放
      • 在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之前
      • 如果HotSpot虚拟机的+XX：CompactFields参数值为true（默认为true），那子类之中较窄的变量也允许插入父类变量的空隙之中，以节省空间

  • 对齐填充（Padding）

    • 不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用
    • 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，所以任何对象的大小都必须是8字节的整数倍
    • 对象头部分已经被精心设计成正好是8字节的倍数，如果对象实例数据部分没有对齐的话，就需要通过对齐填充来补全

• 对象的访问定位

  • 创建对象自然是为了后续使用该对象，Java程序会通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象

  • 对象访问方式

    《Java虚拟机规范》 里面只规定了reference是一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过什么方式去定位、访问到堆中对象的具体位置，所以对象访问方式也是由虚拟机实现而定的

    • 句柄。Java堆中将可能会划分出一块内存来作为句柄池，栈上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与类型数据各自具体的地址信息

      
      
      句柄访问模型.png

    • 直接指针。reference中存储的直接就是对象地址，如果只是访问对象本身的话，就不需要多一次间接访问的开销

      
      
      直接指针访问模型.png

    • 句柄和直接指针的区别

      • 使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要被修改
      • 使用直接指针来访问最大的好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，HotSpot虚拟机主要使用直接指针的方式进行对象访问