深入理解java虚拟机–第2章 java内存区域与内存溢出异常
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深入理解java虚拟机–第2章 java内存区域与内存溢出异常
2.1 概述
对java程序员而言，在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，一切都看起来十分美好。但是一旦出现内存泄漏和溢出等问题，如果不了解虚拟机是如何使用内存的，排查错误将变得困难。
2.2 运行时数据区域
java虚拟机所管理的内存将会包含以下几个运行时数据区域。
//缺图。
2.2.1 程序计数器
程序计数器是一块较小的内存区域，可以看作当前线程所执行的字节码的行号指示器。
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（多核处理器来说则是一个内核）都只会执行一个线程中的指令。为了线程切换后能够恢复到正确的执行位置，每个线程都需要一个独立的程序计数器。
各条线程的程序计数器互不影响，独立存储，即为线程私有的内存区域。
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。如果线程正在执行的是一个native方法，这个计数器的值为空undefined。
程序计数器是java虚拟机规范中唯一没有规定任何OutOfMemoryError的区域。
2.2.2 虚拟机栈
虚拟机栈也是线程私有，生命周期和线程一致。
每个方法在执行时都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法从调用直到执行完成的过程，就对应一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
局部变量表中存放了编译期可知的各种基本数据类型（int、long等）、变量引用（不等同于对象本身，可能是指向对象地址的指针或者句柄）和returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）。局部变量表所需要的内存空间在编译期已经完全分配，因为是完全确定的。
java虚拟机规范对这个区域定义了两种异常。如果线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度，抛出StackOverFlowError。如果虚拟机可以动态扩展（大部分都可以），但是扩展时无法申请到足够的内存，将抛出OutOfMemoryError。
2.2.3 本地方法栈
本地方法栈和虚拟机栈的区别在于：虚拟机栈为虚拟机执行java方法，本地方法栈为虚拟机执行native方法。有些虚拟机直接将二者合二为一。
本地方法栈也会抛出OutOfMemoryError和StackOverFlowError。
2.2.4 java堆
java堆是被所有线程共享的区域，在虚拟机启动时创建。
此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例和数组都在这里分配内存。
虚拟机堆可以处于物理上不连续的内存中，只要逻辑上连续。在实现时，可以实现成固定大小，也可实现成可扩展的（通过-Xmx和-Xms控制）。
如果在堆中没有足够内存来完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将抛出OutOfMemoryError。
2.2.5 方法区
方法区是被所有线程共享的区域，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。
在java虚拟机规范中，将方法区描绘成了堆中的一个逻辑区域。原则上，如何实现方法区不受java虚拟机规范约束。
对于HotSpot虚拟机，很多人将方法区称作永久代。本质上二者并不等价，仅仅是因为HotSpot设计团队选择将GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。这样做的优点是HotSpot的垃圾收集器可以像管理java堆一样管理这部分内存，省去专门为方法区编写垃圾回收的工作。缺点是容易遇到内存溢出的问题（永久代有-XX:MaxPermSize的上限）。
因此HotSpot团队也逐步改用Native Memory来实现方法区的规划。发布的JDK1.7中，便将原本放在永久代的字符串常量池（方法区的一部分）移出了。
方法区可以选择不进行垃圾回收。这区域的内存回收目的主要是常量池的回收和对类型的卸载。
当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError。
2.2.6 运行时常量池
运行时常量池属于方法区的一部分。
java的class文件除了有类的版本、字段等描述信息外，还有一项信息是常量池，用于存储编译期间生成的各种字符量和符号引用。这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。除了保存class文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存在在运行时常量池中。
java不要求常量只能在编译期产生，所以运行期间也有可能将新的常量放入池中，比如String类的intern方法。
和方法区一样，无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError。
2.2.7 直接内存
native memory并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是java虚拟机规范中定义的内存区域。但它被频繁使用，且也会出现OutOfMemoryError，所以也一起讲解。
在JDK1.4中加入了NIO，引入了一种基于通道和缓冲区的I/O方式。它可以使用native函数库直接分配堆外内存，然后通过存储在java堆中的DirectedByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样可以提高性能。
显然本机直接内存不会受到java堆内存的大小约束，但是会受到本机总内存的大小约束。所以也有可能抛出OutOfMemoryError。
2.3 HotSpot虚拟机
在了解了虚拟机内存分布等情况后，要想了解虚拟机更加内部的细节，比如如何创建、布局和访问数据，必须在具体的虚拟机中讨论。因为不同的虚拟机有不同的实现细节，只要满足java虚拟机规范。
这里将HotSpot·虚拟机和java堆内存作为讨论对象。
2.3.1 对象的创建
在语言层面中，创建对象（比如克隆、反序列化）通常仅仅是一个new关键字而已。而在虚拟机中，对象（文中仅讨论普通java对象，不包含数组和class对象）的创建是如何的？
- 类加载检查
- 类加载
- 分配内存
- 内存空间初始化为零值
- 对对象进行设置（信息存放在对象头）
- 执行init方法
2.3.2 对象的内存布局
对象在内存中存储的布局分为三部分：对象头、实例数据和对齐填充。
对象头包含两部分：第一部分为mark word，用于存储对象自身的运行时数据，比如hash code、GC分代年龄等。第二部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。但第二部分不是必需的。另外，如果对象是一个数组，那对象头还需要一部分来记录数组长度。
实例数据存储对象真正有效的信息，即代码中所定义的各种类型的字段内容，不论是父类继承来的，还是子类中定义的。
对齐填充不是必然存在的，它起到占位符的作用。因为HotSpot内存管理要求对象起始地址必须是8的整数倍，即对象大小必须是8的整数倍。而对象头大小正好是8的整数倍，所以如果对象实例部分没有对齐，就需要对齐填充来补全。
2.3.3 对象的访问定位
引用类型在java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用，但是没有定义这个引用该通过何种方式去定位、访问堆中的具体对象。所以对象访问方式取决于虚拟机实现。
主流访问方式有使用句柄和直接指针。HotSpot使用直接指针。
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2.4 OutOfMemory实战
略。
