Java 内存区域与内存溢出异常

1.Java内存模型

1.1 程序计数器

程序计数器(Program Counter Register)是线程私有的, 是一个较小的内存空间, 可以看成当前线程所执行字节码的行号指示器, 字节码解释器就是通过改变这个技术器的值来选取下一条需要执行的命令, 分支, 循环, 跳转, 异常处理, 线程恢复等, 对操作系统有了解的话这个功能有些像cpu的计数器, 各条线程的程序计数器互不影响, 当线程在执行, 计数器记录的是当前方法的虚拟机字节码指令位置.

Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现, 在任何一个确定的时刻, 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, 成这类内存区域为"线程私有"的内存.

1.1.2 虚拟机栈

虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)也是线程私有的, 生命周期和线程相同, 描述的是java方法内存模型, 每个方法在执行的过程中, 都会创建一个栈帧, 栈帧用于存放局部变量表, 操作数栈, 动态链接, 方法出口信息, 每个方法从调用到执行完成的过程, 就对应这栈帧在虚拟机栈中出栈入栈的过程. 局部变量表存放编译器可知的各种基本数据类型（boolean, byte, chart, short, float, int, double, long）, 对象引用（reference, 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其他与此对象相关的位置. 例如Object obj = new Object（）, 这个obj就是reference）和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址).

异常情况

• StackOverflowError: 线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度
• OutOfMemoryError: 虚拟机栈动态扩展时, 无法申请到足够的内存

1.1.3 本地方法栈

本地方法栈(Native Method Stack)和虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的, 差别是本地方法栈是执行native方法, native方法是java的扩展方法, 没有规定要java实现, 接口实现可以用其他语言实现. 与虚拟机栈一样, 本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常

1.1.4 java堆

Java堆(Java Heap)是虚拟机管理的最大一块内存, 是被所有线程共享的一块内存区域. 堆主要存放对象实例, java堆也是GC回收管理的主要区域,因此很多时候也被称作"GC堆"(Garbage Collected Heap).

Java堆可细分为: 新生代和老年代; 再细致一点的有 Eden空间, From Survivor 空间, To Survivor空间等.

Java8: 移除了堆中的持久代

1.1.5 方法区

方法区(Method Area)是堆的一部分逻辑区域, 但有个别名Non-Heap（非堆）, 也是线程共享的. 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.

1.1.6 运行时常量池

运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分, class文件中关于常量池, 主要存放字符引用, 对class加载的四个阶段（验证, 准备, 解析, 初始化）, 解析过程解析字符引用为直接引用, 就是从这个常量池拿字符变量

2.HotSpot虚拟机

2.1 对象的创建(限于普通Java对象,不包括数组和Class对象等)

2.1.1 检查

虚拟机遇到一条new指令时,将去检查这个参数是否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被加载,解析和初始化过,如果没有,那必须执行相应的类加载过程.

2.1.2 分配

虚拟机为新生对象在java堆中分配内存,等同于把一块确定大小的内存从java堆中划分出来.

分配方式

• 指针碰撞(Bump the Pointer): 加入内存是绝对规整的,用过的放在一边,没用过的放在一边,中间用一个边界指针加以界定,那么分配内存的方式就是让边界指针向空闲区域那边移动指定大小即可. 在使用Serial,ParNew等带Compact过程的收集器时使用.
• 空闲列表(Free List): 如果java堆中的内存并不是完整的,已用的和空闲的相互交错,那就没法用指针碰撞了,因此,虚拟机就必须创建一个列表,来记录哪些内存是可用的,在给对象分配内存时候,通过查找该列表,选择一个足够大的内存块分配给对象实例,并同时更新列表.这就是空闲列表的方法.在使用CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器时使用.

选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定,而是否规整又由采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定的.

对象创建过程中存在并发(线程不安全)情况, 一般有两种方案

• 同步: 采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性
• 本地线程分配缓冲(Thread Local Allocation Buffer TLAB): 在对象创建时,把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间中进行,即每个线程在java堆中预先分配一小块内存,哪个线程要分配内存, 就在哪个线程的TLAB上分配,只有TLAB用完分配新的TLAB时,才需要同步锁定.

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

2.1.3 内存初始化

内存分配完之后,虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值.如果用TLAB,则在TLAB分配时进行. 这一操作保证了对象的实例字段在java中不用赋值就能直接使用.

2.1.4 对象设置

虚拟机对对象进行必要的设置,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、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. 根据虚拟机当前的运行状态的不同, 如是否启用偏向锁,对象头会有不同的设置方式.

2.1.5 对象初始化

执行Java对象的init方法,即按照程序员的意愿进行初始化.

2.2 对象的内存布局

HotSpot虚拟机中,对象在内存中存储的布局可以分为三块区域

• 对象头(Header)
• 实例数据(Instance Data)
• 对齐填充(Padding)

2.2.1 对象头

对象头包括两部分信息 1.Mark Word 用于存储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个和64个Bits. 对象需要存储的运行时数据很多,其实已经超出了32、64位Bitmap结构所能记录的限度,但是对象头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被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存储尽量多的信息,它会根据对象的状态复用自己的存储空间.

HotSpot虚拟机对象头Mark Word

2.类型指针 即对象指向他的类元数据的指针,虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例.并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,换句话说,查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身(参考2.3).另外如果对象是一个Java数组,那在对象头中还必须有一块用于记录数据长度的数据,因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小,但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小.

2.2.2 实例数据

实例数据部分是对象真正存储的有效信息,也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容.无论是从父类继承下来的,还是在子类中定义的,都需要记录起来.这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数(FieldsAllocationStyle)和字段在Java源码中定义顺序的影响. HotSpot虚拟机默认的分配策略为longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops(Ordinary Object Pointers),从分配策略中可以看出,相同宽度的字段总是被分配到一起.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CompactFields参数值为true(默认为true),那么子类之中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中.

2.2.3 对齐填充

对齐填充并不是必然存在的,也没有特别的含义,他仅仅起着占位符的作用. 由于HotSpot VM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,换句话说,就是对象的大小必须是8字节的整数倍.而对象头部分正好是8字节的倍数(1倍或者2倍),因此,当对象实例数据部分没有对齐时, 就需要通过对齐填充来补全.

2.3 对象的访问定位

建立对象是为了使用对象,我们的Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象.由于reference类型在Java虚拟机规范里面只规定了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种方式去定位、访问到堆中的对象的具体位置,对象访问方式也是取决于虚拟机实现而定的

主流的访问方式

• 使用句柄
• 直接指针

2.3.1 句柄访问对象

使用句柄访问的话,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与类型数据的具体各自的地址信息

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(垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为)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.

2.3.2 直接指针访问对象

使用直接指针访问的话,Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息,reference中存储的直接就是对象地址

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,由于对象访问的在Java中非常频繁,因此这类开销积小成多也是一项非常可观的执行成本.就虚拟机HotSpot而言,它是使用第二种方式进行对象访问,但在整个软件开发的范围来看,各种语言、框架中使用句柄来访问的情况也十分常见.