深入理解Java虚拟机 读书笔记(二)

第二部分 自动内存管理机制

第二章 java内存区域与内存溢出异常

2.2 运行时数据区域
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。
《深入理解Java虚拟机 读书笔记(二)》

2.2.1 程序计数器
– 内存空间较小。
– 当前线程锁执行的字节码的行号指示器。
– 在虚拟机概念模型里,字节码解释器工作时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,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖该计数器。
– 线程私有,每个线程有一个独立的程序计数器,各个线程之间计数器互不影响,独立存储。
– 如果线程正在执行Java方法,计数器记录正在执行的虚拟机字节码指令的地址;如果线程正在执行Native方法,计数器值则为空(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。

2.2.2 Java虚拟机栈
– 线程私有,其生命周期与线程相同。
– 描述的是Java方法执行的内存模型:每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出入口等信息。每个方法从调用到执行完成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:Java内存区分为“堆内存”和“栈内存”中的“栈内存”,存放了编译器可知的各种基本数据类型(boolean,byte,char,short,int,float,long,double)、对象引用(reference类型,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)和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)
– 64位长度的long和double类型的数据占用2个局部变量空间(Slot),其余的数据类型只占用1个。局部变量表所需的内存空间在编译器完成分配(进入方法时,所分配的空间是确定的,方法运行期间不会改变局部变量表的大小)
– 该区域规定了两种异常状况:1. StackOverflowError异常:线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度。2. OutOfMemoryError异常:如果虚拟机可以动态扩展,且扩展时无法申请到足够的内存。

2.2.3 本地方法栈
– 同虚拟机栈,但虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(即字节码)服务,本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务。
– 本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构没有强制规定。其抛异常同虚拟机栈。

2.2.4 Java堆
– 线程共享,且对于大多数应用,Java堆是JVM所管理的内存中最大的一块。
– 用于存放对象实例和数组(有些对象会栈上分配,标量替换)。
– Java堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此也被称作“GC堆”。现在收集器基本采用分代收集算法,所以Java堆又可分为:新生代和老年代。再细致一点:Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。从内存分配角度看,线程共享的Java堆中可能划分出多个人线程私有的分配缓冲区(Thead Local Allocation Buffer,TLAB)。
– Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中,逻辑上连续即可。可实现成固定大小的也可以是可扩展的,主流虚拟机实现方式是后者。
– 如果Java堆中没有内存完成实例分配,并且堆也无法再扩展时。

2.2.5 方法区
– 线程共享,也称为“永久代”,本质上不等价,只是因为HotSpot虚拟机设计团队使用永久代来实现方法区(这样设计更容易内存溢出,因为永久代有-XX:MaxPermSize的上限,而且有极少数方法会因为这个原因导致不同虚拟机下有不同的表现,比如String.intern()。放弃永久代,改为Native Memory来实现方法区,并且把字符串常量池移出永久代)。
– 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。
– 不需要连续的内存,可以选择固定大小或者可扩展,可以选择不实现垃圾收集。该区域内存回收目标主要针对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异常。

2.2.6 运行时常量池
– 运行时常量池是方法区的一部分。
– 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,用于存放编译期生成的各种字面量(文本字符串、声明为final的常量值等)和符号引用(类和接口的完全限定名(Fully Qualified Name)、字段的名称和描述符(Descriptor)、方法的名称和描述符),类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。
– 运行期间也可能将新的常量放入池中,例如String的intern()方法。
– 当常量池无法再申请到内存时,将抛出OutOfMemoryError异常。

2.2.7 直接内存
– 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。
– NIO类引入了一种基于通道与缓冲区的I/O方式,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堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。可以避免在Java堆和Native堆中来回复制数据。
– 不受Java堆大小限制,受本机总内存(包括RAM以及SWAP区或者分页文件)大小以及处理器寻址空间的限制。当各个内存区域总和大于物理内存限制,将抛出OutOfMemoryError异常。

2.3 HotSpot虚拟机对象探秘
2.3.1 对象的创建
虚拟机遇到一条new指令时:
1. 检查指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用,并且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,则执行相应类加载。
2. 虚拟机为新生对象分配内存(其大小在类加载完成后完全确定)。即把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。分配方式有两种:“指针碰撞”:Java堆内存绝对规整,用过的内存和空闲内存中间放着一个指针做分界点,此时分配内存只需把指针向空闲空间方向移动一段与对象大小相等的距离;“空闲列表”:Java堆内存不规整,已用内存和空闲内存相交错,虚拟机维护一个列表,记录可用内存块,分配时找足够大的空间划分给对象实例,并更新列表记录。分配方式由垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定(eg:Serial,ParNew用前者,CMS用后者)。
除了划分空间,还需要考虑并发情况下线程安全问题,解决方案有两个:一种是对分配内存空间的动作进行同步处理(虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性),另一种是把内存分配的动作按线程划分在不同空间,即每个线程分配一块内存,称为本地线程分配缓冲(TLAB),先在TLAB上分配,TLAB用完分配新的TLAB时需要同步锁。
3. 虚拟机将分配到的内存空间都初始化为零值(不包括对象头),也可以在TLAB分配时进行,保证对象的实例字段在Java代码中可以不赋初值就直接使用。
4. 虚拟机对对象进行设置,eg:对象是哪个类的实例、如何找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等。这些信息存放在对象头中。
5. 执行方法,按照程序员意愿进行初始化。

2.3.2 对象的内存布局
在HopSpot虚拟机中,对象在内存中存储的布局可以分为3块区域:对象头(Header)、实例数据(Instance Data)和对齐填充(Padding)
对象头包括两部分信息:1. 用于存储对象自身的运行时数据,eg:哈希码,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32bit和64bit,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(不同的标志位表示不同的状态,存储不同的内容)。2. 类型指针,即对象指向它的类元数据(元数据指用来描述一个文件的特征的系统数据,诸如访问权限、文件拥有者以及文件数据块的分布信息等等)的指针。虚拟机通过这个指针确定这个对象是哪个类的实例。不是所有虚拟机都有类型指针。如果是java数组,对象头中需要记录数组长度(虚拟机可以通过普通Java对象元数据信息确定Java对象大小,但数组的元数据中无法确定数组大小)。
实例数据存储对象的有效信息,即程序代码中所定义的各种类型的字段内容。从父类继承的和子类定义的都需要记录,其存储顺序受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。相同宽度的子段总是被分配到一起。在满足这个前提的情况下,父类中定义的变量会出现在子类之前。但如果CompactFields参数的值为true(默认),子类中较窄的变量也可能插入父类变量的空隙之中。
对齐填充不是必然存在的,相当于占位符的作用,HopSpot虚拟机要求对象大小必须是8字节的整数倍。所以以防对象实例数据没对齐。

2.3.3 对象的访问定位
Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。但Java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用,而引用具体通过何种方式定位,即对象访问方式取决于虚拟机的实现。目前主流方式有使用句柄和直接指针两种:
1. 句柄:Java堆中划分一块内存来作为句柄池,reference中存储的是对象的句柄地址,而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息。
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2. 直接指针:Java堆对象的布局中需要考虑如何放置访问类型数据的相关信息,而reference中存储的直接就是对象地址。
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两种方式各有优劣,句柄的好处在于reference中存储的是稳定的句柄地址,在对象被移动(垃圾收集移动对象)时只会改变句柄中的实例数据指针,而reference不需改变。
直接指针的好处在于速度快,节省了一次指针定位的时间开销,HotSpot使用该种方式进行对象访问。

PS:
1. 对象和实例区别:实例是实例化的对象,对象可以只声明不进行实例化。
2. 类型数据和实例数据:Java对象类型数据应该是指class类信息,定义了一个类的元数据、它包含的成员等,而对象实例数据是指基于某个类new出来的一个或多个具体实例,实例要访问它对应的类信息时,通过一个指针指向另一个保存类型信息的内存区。

2.4 实战OutOfMemoryError异常

除程序计数器外,虚拟机内存的其他几个运行时区域都有发生OutOfMemoryError(OOM)异常的可能。
需要设置虚拟机相关参数。

    原文作者:java虚拟机
    原文地址: https://blog.csdn.net/zoozyy/article/details/79174250
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