【深入理解Java虚拟机】 2. Java内存区域与内存溢出异常

• • 1. 概述
  • 2. 运行时数据区域
  • • 2.1 程序计数器
    • 2.2 Java 虚拟机栈
    • 2.3 本地方法栈
    • 2.4 Java 堆
    • 2.5 方法区
    • 2.6 运行时常量区
    • 2.7 直接内存
  • 3 Java堆中对象分配、布局和访问
  • • 3.1 对象的创建
    • 3.2 对象的内存布局
    • 3.3 对象的访问定位

程序计数器（Program Conter Register）占用较小的内存空间，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就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。

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，我们称这类内存区域为 “线程私有” 的内存。

• 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
• 如果正在执行的是本地（Native）方法，这个计数器值则应为空（Undefined）
• 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

线程私有的，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（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。

局部变量表：
存放编译器可知的各种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，它并不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

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。

Java虚拟栈为执行Java方法（字节码）服务，本地方法栈为使用本地（Native）方法服务。

• Java堆（Java Heap）是虚拟机管理内存中最大的一块，唯一目的就是存放对象实例，被所有线程共享。
• Java堆是垃圾搜集器管理的区域，因此也被称为 GC堆，即 Garbage Collected Heap
• Java堆可以是固定大小的或者是可拓展的（通过-Xmx 和 -Xms 设定）
• 不需要连续内存，只是 逻辑连续
• 如果Java堆中没有内存完成实例分配，并且无法再拓展，虚拟机会抛出 OutOfMemory Error异常。

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。

这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

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 PoolTable），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

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。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据

1. 虚拟机收到字节码 new 指令
2. 检查该指令的参数能否在常量池中定位到一个类的符号引用，检查所代表的类是否已经被加载、解析、初始化过
3. 为新生对象分配内存：
   指针碰撞：Java堆中内存绝对规整，使用过的内存和空闲内存之间存在一个指针作为分界点指示器，分配内存即指针向空闲内存方向挪动对象大小相对应的距离
   空闲列表：Java堆中内存不规整，虚拟机维护一个列表记录可用的内存块。

Java堆是否规整由采用的垃圾搜集器是否带有空间压缩整理（Compact）能力决定。
当使用Serial、ParNew等带压缩整理过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，既简单又高效；
而当使用CMS这种基于清除（Sweep）算法的收集器时，就只能采用较为复杂的空闲列表来分配内存

4. 解决并发情况下的线程安全问题

   • 内存分配同步处理：CAS + 失败重试
   • 本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buff，TLAB），只有当本地缓冲区用完，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。

5. 将分配到的内存空间初始化为零值

6. 设置对象头：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。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。

7. 执行构造函数，class文件中的init方法

对象在堆内存中的存储布局可以划分为三部分：

• 对象头（Head)：
  1. 存储对象自身运行时数据，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，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”
  2. 类型指针，指向对象类型元数据的指针
• 实例数据（Instance Data）：
• 对齐填充（Padding）：
  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