JVM基礎(chǔ)（一） - Java內(nèi)存區(qū)域與內(nèi)存溢出異常

本文主要內(nèi)容出自周志明老師《深入理解Java虛擬機》一書较锡，是筆者結(jié)合自己的理解月杉，提取重點，重新組織排版钩杰，再補充了一些內(nèi)容后纫塌，總結(jié)的讀書筆記。

JVM運行時數(shù)據(jù)區(qū)的劃分

線程共享的數(shù)據(jù)區(qū)特征
  • 虛擬機啟動時創(chuàng)建榜苫，生命周期與進程相同
  • 內(nèi)存分配和回收是動態(tài)的护戳，GC負(fù)責(zé)的區(qū)域
線程私有的數(shù)據(jù)區(qū)特征
  • 線程啟動時創(chuàng)建翎冲，生命周期與線程相同
  • 內(nèi)存的分配和回收都具備確定性垂睬，方法結(jié)束或線程結(jié)束就回收，不需過多考慮回收問題

程序計數(shù)器（Program Counter Register）

一塊較小的內(nèi)存空間抗悍，當(dāng)前線程所執(zhí)行字節(jié)碼的行號指示器驹饺。

  • 線程私有
  • JVM 5大數(shù)據(jù)區(qū)中唯一一個沒有規(guī)定OOM的區(qū)域
  • 執(zhí)行Java方法時，計數(shù)器記錄的是字節(jié)碼指令的地址缴渊；執(zhí)行Native方法時赏壹，計數(shù)器值為空（undefined）

為什么需要程序計數(shù)器呢？

JVM 的多線程是通過線程輪流切換并分配CPU時間的方式來實現(xiàn)的衔沼，在任何一個確定的時刻蝌借，一個處理器（對于多核處理器來說是一個內(nèi)核）都只會執(zhí)行一條線程中的指令。因此指蚁，為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置菩佑，每條線程都需要有一個獨立的程序計數(shù)器。

Java虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）

虛擬機棧描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個方法在執(zhí)行的同時都會創(chuàng)建一個棧幀（Stack Frame）用于存儲局部變量表凝化、操作數(shù)棧稍坯、動態(tài)鏈接、方法出口等信息搓劫。每一個方法從調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程瞧哟，就對應(yīng)著一個棧幀在虛擬機棧中入棧到出棧的過程混巧。

  • 線程私有，生命周期與線程相同
  • StackOverflowError：棧深度大于虛擬機所允許的深度
  • OutOfMemorryError：如果虛擬機椙诳可以動態(tài)擴展（大部分虛擬機可動態(tài)擴展咧党，只不過Java虛擬機規(guī)范中也允許固定長度的虛擬機棧），擴展時無法申請足夠內(nèi)存

經(jīng)常有人把Java內(nèi)存區(qū)分為堆內(nèi)存（Heap）和棧內(nèi)存（Stack）雄可，這種分法比較粗糙凿傅，其流行只能說明大多數(shù)程序員最關(guān)注的、與對象內(nèi)存分配關(guān)系最密切的內(nèi)存區(qū)域是這兩塊数苫。其中所指的『堆』就是后面即將提到的Java堆聪舒，而所指的『棧』就是這里的虛擬機棧虐急，或者說是虛擬機棧中局部變量表部分箱残。

局部變量表

局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數(shù)據(jù)類型（boolean、byte止吁、char被辑、short、int敬惦、float盼理、long、double）俄删、對象引用（reference）和returnAddress類型（指向了一條字節(jié)碼指令的地址）宏怔。

  • 局部變量表的容量以變量槽（Variable Slot）為最小單位
  • 64位長度的 long 和 double 類型的數(shù)據(jù)占用2個slot，其余數(shù)據(jù)類型只占用1個slot
  • 局部變量表所需內(nèi)存空間在編譯期已經(jīng)確定畴椰，在方法運行期間不會改變大小
局部變量表的影響

讓我們通過以下示例代碼直觀地感受一下局部變量表的影響臊诊。第一個recursion()沒有參數(shù)和局部變量，第二個包含3個參數(shù)和4個局部變量斜脂，因此后者占用更多內(nèi)存空間抓艳，在jvm參數(shù)-Xss 128K下分別執(zhí)行兩個方法：

private static int count=0;

public static void recursion(){
    System.out.println("count="+count);
    count++;
    recursion();
}

public static void recursion(int a,int b,int c){
    long l1=12;
    short sl=1;
    byte b1=1;
    String s="1";
    System.out.println("count="+count);
    count++;
    recursion(1,2,3);
}

執(zhí)行第一個無參的recursion()的輸出：

count=4495
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
at sun.nio.cs.UTF_8.updatePositions(UTF_8.java:77)

執(zhí)行第二個有參的recursion()的輸出：

count=3865
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
at sun.nio.cs.UTF_8.updatePositions(UTF_8.java:77)
at sun.nio.cs.UTF_8$Encoder.encodeArrayLoop(UTF_8.java:564)
at sun.nio.cs.UTF_8$Encoder.encodeLoop(UTF_8.java:619)

可見，在同等的棧容量下帚戳，局部變量少的函數(shù)可以支持更深的調(diào)用層次玷或，換句話說，一個線程中可調(diào)用的方法數(shù)就越多片任。

本地方法棧（Native Method Stack）

本地方法棧與虛擬機棧的作用類似偏友，區(qū)別只是前者為執(zhí)行Native方法服務(wù)，后者為執(zhí)行Java方法服務(wù)蚂踊。有的虛擬機（如Sun HotSpot虛擬機）直接把本地方法棧和虛擬機棧合二為一约谈。

  • 線程私有
  • 和Java虛擬機棧一樣，也會拋出StackOverflowError 和 OutOfMemorryError

Java堆（Java Heap）

所有的對象實例以及數(shù)組都要在堆上分配，但是隨著JIT編譯器的發(fā)展與逃逸分析技術(shù)逐漸成熟棱诱，棧上分配泼橘、標(biāo)量替換優(yōu)化技術(shù)將會導(dǎo)致一些微妙的變化發(fā)生，所有的對象都分配在堆上也漸漸變得不是那么"絕對"了迈勋。

  • 線程共享
  • OutOfMemorryError：Java heap space
  • GC的主要區(qū)域炬灭，因此也被稱作"GC堆"
  • JVM所管理的內(nèi)存中最大的一塊
  • 虛擬機啟動時創(chuàng)建
虛擬機規(guī)范對該區(qū)的限制
  • 可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，只要邏輯上連續(xù)即可
  • 即可以實現(xiàn)成固定大小的靡菇，也可以是可擴展的重归，當(dāng)前主流虛擬機都是按照可擴展來實現(xiàn)的

方法區(qū)（Method Area）

用于存儲已被虛擬機加載的類信息、常量厦凤、靜態(tài)變量鼻吮、即時編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。

  • 線程共享
  • OutOfMemorryError：PermGen spage
  • GC比較少出現(xiàn)（虛擬機實現(xiàn)時也可以選擇不實現(xiàn)GC较鼓，但事實證明該區(qū)域的GC是必要的）
  • 有一個別名叫"Non-Heap"（非堆）：虛擬機規(guī)范中把方法區(qū)描述為堆的一個邏輯部分椎木，為了與Java堆區(qū)分開來
淺談“永久代”（Permanent Generation）

在HotSpot虛擬機上，很多人都更愿意把方法區(qū)稱為“永久代”博烂，但本質(zhì)上兩者并不等價香椎，僅僅是因為HotSpot虛擬機的設(shè)計團隊使用永久代來實現(xiàn)方法區(qū)而已。而對于其他虛擬機（如BEA JRockit禽篱、IBM J9等）來說是不存在永久代的概念的畜伐。目前，在HotSpot虛擬機上也有放棄永久代并逐步改為采用Native Memory來實現(xiàn)方法區(qū)的規(guī)劃了躺率，在JDK1.7的HotSpot中玛界，已經(jīng)把原本放在永久代的字符串常量池移出。

虛擬機規(guī)范對該區(qū)的限制
  • 可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中肥照，只要邏輯上連續(xù)即可
  • 即可以實現(xiàn)成固定大小的脚仔，也可以是可擴展的勤众，當(dāng)前主流虛擬機都是按照可擴展來實現(xiàn)的
  • 可以選擇不實現(xiàn)垃圾收集

垃圾收集行為在方法區(qū)是比較少出現(xiàn)的舆绎，但并非數(shù)據(jù)進入了方法區(qū)就如永久代的名字一樣“永久”存在了。這里的內(nèi)存回收目標(biāo)主要是針對常量池的回收和對類型的卸載们颜，一般來說吕朵，這里的回收“成績”難以令人滿意，尤其是類型的卸載窥突，條件相當(dāng)苛刻努溃，但是這部分區(qū)域的回收確實是必要的。

運行時常量池（Runtime Constant Pool）

運行時常量池是方法區(qū)的一部分阻问。Class文件中除了有類的版本梧税、字段、方法、接口等描述信息外第队，還有一項信息是常量池（Constant Pool Table）哮塞，用于存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分內(nèi)容將在類加載后進入方法區(qū)的運行時常量池中存放凳谦。

直接內(nèi)存

并非虛擬機運行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分忆畅，也不是Java虛擬機規(guī)范定義的內(nèi)存區(qū)域。但這部分也被頻繁使用尸执，而且也可能導(dǎo)致OOM家凯。

JDK 1.4中加入的NIO類，引入了一種基于通道與緩沖區(qū)的I/O方式如失，它可以使用Native函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存绊诲，然后通過一個存儲在Java堆中的 DirectByteBuffer 對象作為這塊內(nèi)存的引用進行操作。

本機直接內(nèi)存的分配不會受到Java堆大小的限制褪贵，但還是會受到本機總內(nèi)存大小以及處理器尋址空間的限制驯镊。

5大數(shù)據(jù)區(qū)對比

JVM數(shù)據(jù)區(qū) 私有/共享 創(chuàng)建時機 生命周期 垃圾收集 內(nèi)存溢出
程序計數(shù)器 線程私有 線程啟動時 與線程相同 無 無
虛擬機棧 線程私有 線程啟動時 與線程相同 無 StackOverflowError OutOfMemoryError
本地方法棧 線程私有 線程啟動時 與線程相同 無 StackOverflowError OutOfMemoryError
Java堆 線程共享 JVM啟動時 與進程相同 主要區(qū)域 OutOfMemoryError: Java heap space
方法區(qū) 線程共享 JVM啟動時 與進程相同 較少出現(xiàn) OutOfMemoryError: PermGen space

對象初探秘

對象的創(chuàng)建

在Java中，從語言層面上來看竭鞍，創(chuàng)建對象通常只是一個 new 關(guān)鍵字而已板惑，而在虛擬機中，對象（這里討論的對象僅限于普通對象偎快，不包括數(shù)組和Class對象）的創(chuàng)建又是怎樣一個過程呢冯乘？

虛擬機遇到一條 new 指令時：

  1. 執(zhí)行類加載檢查
    • 檢查指令的參數(shù)是否能在常量池中定位到一個類的符號引用，并檢查這個符號引用代表的類是否已被加載晒夹、解析和初始化過裆馒。
    • 若沒有，則執(zhí)行相應(yīng)的類加載過程丐怯。
  2. 為新生對象分配內(nèi)存
指針碰撞

假設(shè)Java堆中內(nèi)存是絕對規(guī)整的喷好，所有用過的內(nèi)存放在一邊，空閑的內(nèi)存放在另一邊读跷，中間放著一個指針作為分界點的指示器梗搅，那所分配內(nèi)存就僅僅是把指針向著空閑內(nèi)存那邊移動一段與對象大小相等的距離，這種分配方式稱為“指針碰撞”效览。

空閑列表

如果Java堆中的內(nèi)存并不是規(guī)整的无切，已使用內(nèi)存和空閑內(nèi)存相互交錯，那就沒辦法簡單地進行指針碰撞了丐枉，虛擬機就必須維護一個列表哆键，記錄哪些內(nèi)存塊是可用的臼膏，在分配的時候從列表中找出一塊足夠大的空間劃分給對象實例嘿期，并更新列表上的記錄蛾方，這種分配方式稱為“空閑列表”。

如何選擇分配方式

選擇哪種分配方式由Java堆是否規(guī)整決定起暮，而Java堆是否規(guī)整又由所采用的垃圾收集器是否帶有 壓縮整理 功能決定枢析。因此秀睛，在使用Serial笼痹、ParNew等待Compact過程的收集器時，系統(tǒng)采用的分配算法是指針碰撞识补，而使用CMS這種基于Mark-Sweep算法的收集器時族淮，通常采用空閑列表。

對象的內(nèi)存布局

在HotSpot虛擬機中凭涂，對象在內(nèi)存中存儲的布局可以分為 3 塊區(qū)域：對象頭（Header）祝辣、實例數(shù)據(jù)（Instance Data）、和對齊填充（Padding）切油。

對象頭

對象頭包括兩部分信息蝙斜，第一部分用于存儲對象自身的運行時數(shù)據(jù)，如哈希碼（HashCode）澎胡、GC分代年齡孕荠、鎖狀態(tài)標(biāo)志等，官方稱這些數(shù)據(jù)為 “Mark Word” 攻谁。

對象頭的另一部分是類型指針稚伍，即對象指向它的類元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機通過該指針來確定這個對象是哪個類的實例戚宦。但并非所有的虛擬機實現(xiàn)都必須在對象數(shù)據(jù)上保留類型指針个曙，換句話說，查找對象的元數(shù)據(jù)信息并不一定要經(jīng)過對象本身受楼。另外垦搬，如果對象是一個Java數(shù)組，那在對象頭中還必須有一塊用于記錄數(shù)組長度的數(shù)據(jù)艳汽，因為虛擬機可以通過普通對象的元數(shù)據(jù)確定該對象的大小猴贰，但是從數(shù)組的元數(shù)據(jù)中卻無法確定數(shù)組的大小。

實例數(shù)據(jù)

實例數(shù)據(jù)是對象真正存儲的有效信息河狐，也是在程序代碼中定義的各種類型的字段內(nèi)容米绕。無論是從父類繼承下來的，還是子類中定義的甚牲，都需要記錄义郑。

對齊填充

對齊填充并不是必然存在的蝶柿，也沒有特別的含義丈钙，它僅僅起著占位符的作用。由于HotSpot VM要求對象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍交汤，話句話說雏赦，就是對象大小必須是8字節(jié)的整數(shù)倍劫笙。而對象頭部分正好是8字節(jié)的倍數(shù)，因此星岗，當(dāng)對象的實例數(shù)據(jù)部分沒有對齊時填大，就需要通過對齊填充來補全。

對象的訪問定位

Java程序需要通過棧（具體是虛擬機棧中的局部變量表）上的reference數(shù)據(jù)來操作堆上的具體對象俏橘。而reference如何定位允华、訪問堆中對象的具體位置，則取決于不同的虛擬機實現(xiàn)寥掐。目前主流的訪問方式有使用 句柄 和 直接指針 兩種靴寂。

問題：毫無疑問，局部變量中的reference存放在棧中召耘，那么成員變量中的reference又是存放在哪里百炬？

筆者也是看到這里時感到疑惑，上網(wǎng)查證了很多污它，但是說法不一剖踊，有的認(rèn)為在棧中（一概而論：對象在堆，引用在棧）衫贬，有的認(rèn)為在堆中（比如https://blog.csdn.net/qq_36596145/article/details/76300922）德澈，筆者認(rèn)為在方法區(qū)中（具體是方法區(qū)中的運行時常量池，因為class文件中有一個常量池固惯，用于存放編譯期生成的各種字面量和符號引用圃验，這部分信息在類加載后進入方法區(qū)的運行時常量池中存放）。

如果有讀者可以給出明確的結(jié)論缝呕，還請不吝賜教澳窑！

句柄式

在Java堆中劃分出一塊內(nèi)存用作句柄池，reference中存儲對象的句柄地址供常，而句柄中包含了對象實例數(shù)據(jù)與類型數(shù)據(jù)各自的具體地址信息摊聋。

使用句柄訪問方式的最大好處就是reference中存儲的是穩(wěn)定的句柄地址，在對象被移動（垃圾收集時移動對象是很普遍的行為）時只會改變句柄中的實例數(shù)據(jù)指針栈暇，而reference本身不需要修改麻裁。

直接指針

reference中存儲的直接就是對象地址，此時對象的布局中就必須考慮如何放置對象類型數(shù)據(jù)的指針源祈。

  • HotSpot虛擬機采用的就是這種方式煎源。

使用直接指針訪問方式的最大好處就是速度更快，它節(jié)省了一次指針定位的時間開銷香缺。由于對象訪問在Java中非常頻繁手销，因此這類開銷積少成多后也是一項非常可觀的執(zhí)行成本图张。

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