《深刻理解 Java 虛擬機》讀書筆記：Java 內存區域與內存溢出異常

前言

最近開始看這本書，記得前段時間拿起這本書的時候，心情是至關沉重的！當時的劇本是這樣的——

內景。家裏 - 下午
我（畫外）：唉，有點無聊啊！（偶然撇過書架）這麼多書得看到何時啊，要不要拿一本翻翻呢？可是在家裏好像有點看不下去啊，是太安逸了嗎？最近那本《圖解 HTTP》也還沒看完，感受暫時有點不想看了。（走到書架前）仍是挑幾本優先級比較高的帶到███下班的時候看吧。（沉思）嗯，這本帶過去~

當我拿起《深刻理解 Java 虛擬機》這本書的那一刻，內心咯噔一下——唉，PM10 濃度又上升了，地球環境愈來愈差了啊，萬惡的地球人！

正文

1、運行時數據區域

Java 虛擬機在執行 Java 程序時，會把它所管理的內存劃分爲若干個不一樣的數據區域。這些區域都有各自的用途，以及建立和銷燬時間。

一、程序計數器

• 是一塊較小的內存空間，能夠看做是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。在虛擬機的概念模型裏，字節碼解釋器就是經過改變這個計數器的值來選取下一條須要執行的字節碼指令。
• 線程私有：爲了線程切換後能恢復到正確的執行位置，所以每條線程都須要有一個獨立的程序計數器。
• 惟一一個不會出現 OutOfMemoryError 異常的區域。

二、Java 虛擬機棧

• 虛擬機棧描述的是 Java 方法執行的內存模型：Java 方法在執行時會建立一個棧幀，用於存儲局部變量表、操做數棧、動態連接、方法出口等信息。每一個方法從調用到執行完成的過程，就對應着一個棧幀在虛擬機棧中入棧到出棧的過程。
• 線程私有。
• 會出現 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 異常。
  • StackOverflowError：線程請求的棧深度大於虛擬機所容許的深度，將拋出該異常。
  • OutOfMemoryError：虛擬機棧動態擴展時沒法申請到足夠的內存，將拋出該異常。

三、本地方法棧

• 做用與虛擬機棧類似，只不過虛擬機棧爲虛擬機執行 Java 方法（字節碼）服務，而本地方法棧爲虛擬機執行 Native 方法服務。
• 線程私有。
• 會出現 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 異常。

四、Java 堆

• Java 虛擬機所管理的內存中最大的一塊，用於存放對象實例。它是垃圾收集器管理的主要區域，也被稱爲"GC堆」。
• 可細分爲新生代和老年代，新生代又可細分爲 Eden 空間、From Survivor 空間、To Survivor 空間。
• 線程共享。
• 會出現 OutOfMemoryError 異常。

五、方法區

• 用於存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯後的代碼等數據。別名 Non-Heap（非堆）。
• 也被稱爲「永久代」，由於 HotSpot 虛擬機使用永久代來實現方法區，但本質上二者並不等價。
  PS：JDK1.8 已經完全移除了永久代，改用元空間實現方法區。元空間使用的是直接內存。
• 線程共享。
• 會出現 OutOfMemoryError 異常。

六、運行時常量池

• 是方法區的一部分，用於存放編譯期生成的各類字面量和符號引用。
  PS：JKD1.7 已經從方法區移到了 Java 堆中。
• 線程共享。
• 會出現 OutOfMemoryError 異常。

七、直接內存

• 不是虛擬機運行時數據區的一部分，也不是 Java 虛擬機規範中定義的內存區域。可是這部份內存也被頻繁使用。
• 會出現 OutOfMemoryError 異常。

2、HotSpot 虛擬機對象探祕

一、對象的建立

類加載檢查 -> 分配內存 -> 初始化零值 -> 設置對象頭 -> 執行 init 方法

（1）類加載檢查

虛擬機遇到 new 指令時，會先檢查這個指令的參數可否在常量池中定位到一個類的符號引用，以及這個符號引用表明的類是否已被加載、解析和初始化過。若是沒有，就必須先執行相應的類加載過程。

（2）分配內存

對象所需內存的大小在類加載完成後即可肯定，爲對象分配內存空間等同於把一塊肯定大小的內存從 Java 堆中劃分出來。

分配內存的兩種方式：

• 指針碰撞： Java 堆中內存規整時，將用過的內存放在一邊，空閒的內存放在另外一邊，中間放一個指針做爲分界點的指示器。分配內存時，只需把那個指針向空閒內存那邊，移動一段與對象大小相等的距離便可。
• 空閒列表： Java 堆中內存不規整時，虛擬機經過維護一個列表，記錄哪些內存塊是可用的。在分配時從列表中找出一塊足夠大的空間劃分給對象實例，並更新列表上的記錄。

Java 堆是否規整（是否有內存碎片），由所採用垃圾收集器的算法所決定。「標記-清除」算法會產生內存碎片，而「標記-整理」和複製算法則不會。

如何保證分配內存的線程安全：

• CAS 同步機制：採用 CAS 配上失敗重試的方式保證更新操做的原子性。
• 本地線程分配緩衝（TLAB）：每一個線程在 Java 堆中預先分配一小塊內存（TLAB），線程要分配內存時，先在 TLAB 上分配，TLAB 用完後再採用 CAS 同步機制進行分配。

（3）初始化零值

將分配到的內存空間初始化爲零值（不包括對象頭），保證對象的實例字段在 Java 代碼中能夠不賦初始值就直接使用。

（4）設置對象頭

虛擬機須要對對象進行必要的設置，例如這個對象是哪一個類的實例、如何找到類的元數據信息、對象的哈希碼、對象的 GC 分代年齡等。這些信息存放在對象的對象頭中。

（5）執行 init 方法

把對象按照程序員的意願進行初始化。

二、對象的內存佈局

HotSpot 虛擬機中，對象在內存中存儲的佈局可分爲 3 塊區域：對象頭、實例數據和對齊填充。

（1）對象頭

對象頭包含兩部分信息：

• Mark Word：用於存儲對象自身的運行時數據，如哈希碼、GC 分代年齡、鎖狀態標誌、線程持有的鎖、偏向線程 ID、偏向時間戳等。
• 類型指針：對象指向它的類元數據的指針，虛擬機經過這個指針來肯定對象是哪一個類的實例。

（2）實例數據

對象真正存儲的有效信息，也是在程序代碼中所定義的各類類型的字段內容。

（3）對齊填充

僅僅起着佔位符的做用，不是必然存在的，也沒有特別的含義。

因爲 HotSpot 虛擬機的自動內存管理系統，要求對象起始地址必須是 8 字節的整倍數，換句話說，對象的大小必須是 8 字節的整倍數。而對象頭部分正好是 8 字節的整倍數，所以，當對象實例數據部分沒有對齊時，就須要經過對齊填充來補全。

三、對象的訪問定位

Java 程序須要經過棧上的 reference 數據來訪問堆上的具體對象。目前主流的訪問方式有句柄和直接指針兩種。

（1）句柄

• reference 中存儲的是對象的句柄地址。
• Java 堆中劃分出一塊內存做爲句柄池，句柄中包含了對象實例數據與類型數據各自的具體地址信息。
• 好處：reference 中存儲的是穩定的句柄地址，在對象被移動時只會改變句柄中的實例數據指針，reference 自己不須要修改。

（2）直接指針

• reference 中存儲的直接就是對象的地址。
• Java 堆對象的佈局必須考慮如何放置訪問類型數據的相關信息。
• 好處：節省了一次指針定位的時間開銷，速度更快。

3、OutOfMemoryError 異常

Java 虛擬機中，除了程序計數器外，其餘幾個運行時區域都有發生 OutOfMemoryError（OOM）異常的可能。

一、Java 堆溢出

異常堆棧信息：java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space。

異常緣由：內存泄露、內存溢出。

• 內存泄露：存在 GC 沒法回收的對象。
• 內存溢出：堆中存活對象過多。

異常處理：

• 經過工具查看泄露對象到 GC Roots 的引用鏈，從而定位出泄露代碼的位置。
• 調大堆參數（-Xmx、-Xms），例：-Xmx256m -Xms128m。
• 檢查代碼中是否存在對象生命週期過長的狀況。

二、虛擬機棧和本地方法棧溢出

異常堆棧信息：java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread。

異常緣由：建立線程過多。

• 操做系統分配給每一個進程的內存是有限制的，所以每一個線程分配到的棧容量越大（棧是線程私有的），可建立的線程數量就越少，建立線程時就越容易把剩下的內存耗盡。

異常處理：

• 減小線程數。
• 更換 64 位虛擬機。
• 減小最大堆容量（-Xmx）。
• 減小棧容量（-Xss），例：-Xss128k。

三、方法區和運行時常量池溢出

異常堆棧信息：java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space。

異常緣由：載入內存的類、常量過多。

異常處理：調大方法區容量（-XX:PermSize、-XX:MaxPermSize），例：-XX:PermSize=64m -XX:MaxPermSize=128m。

四、本機直接內存溢出

異常堆棧信息：java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory。

異常緣由：使用了 NIO 等用到直接內存的技術時就有可能出現。

異常處理：調大直接內存容量（-XX:MaxDirectMemorySize），例：-XX:MaxDirectMemorySize=512m。