Java内存区域与内存溢出异常
@(Java虚拟机)[jvm, 内存]
[TOC]
运行时数据区域
Java虚拟机执行Java程序时会将内存分为不同的数据区域。
Java虚拟机运行时数据区
程序计数器
PC可看作当前线程执行字节码的行号指示器。执行Java方法时PC记录的是正在执行虚拟机字节码指令的地址，如果是Native方法，则计数器的值为空。在Java虚拟机规范中唯一一个没有规定OutOfMemoryError的区域
Java虚拟机栈
线程私有，和线程的生命周期相同。
每个方法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。
每个方法从调用到执行完毕，就是栈帧的入栈出栈过程。
（传说中堆内存（Heap）和栈内存（Stack）中的栈）-->关注的局部变量部分
规范中规定了两种异常：
- StackOverflowError ：线程请求的栈深度超过虚拟机的允许范围。
- OutOfMemoryError： 虚拟机可以动态扩展（规范中允许固定长度的虚拟机栈），扩展时无法申请足够的内存。
本地方法栈
为虚拟机使用到Native方法服务，规范没有强制规定实现。
同上也有两个异常
Java堆
Java虚拟机管理内存最大的一块，线程共享，虚拟机启动时创建，存放所有对象实例和数组（非绝对）。
Java堆是GC的主要区域，现在垃圾收集器基本都采用分代收集算法。后面详解
Java堆可以处于物理上不连续的内存空间，逻辑连续即可。实现可以是固定和可扩展的。主流按可扩展实现（通过-Xmx和-Xms控制）。
规定异常：
OutOfMemoryError：没有内存完成分配实例并无法扩展
方法区
线程共享，存储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。规范把方法区描述为堆的一部分，但是有个别名Non-Heap，目的应该是区分Java堆。
HotSpot把GC分代手机扩展至方法区。实现方法区不受规范约束。HotSpot用永久代实现方法区会有一定问题（-XX：MaxPermSize上限）容易内存溢出，而且有极少数方法（例如String.intern()）在不同的虚拟机有不同表现。HotSpot已经逐步放弃使用永久代实现方法区，改为采用Native Memory实现。在1.7JDK中将放在永久代的字符串常量池移除。
和Java堆一样可使用不连续的内存，可选择固定大小和可扩展，可选择不实现垃圾收集。该区域内存回收的主要目标是常量池和类型的卸载。
规定异常：
OutOfMemoryError：方法区无法满足内存分配需求时。
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，还有常量池，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。
运行时常量池具备动态性，Java语言不要求常量编译期才能生成，运行期间也可将新的常量放入池中，如String的intern方法。
异常同方法区
直接内存
直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范定义的内存区域，这部分内存频繁使用，也可导致OutOfMemoryError。
NIO，引入了基于通道与缓冲区的IO方式，可以使用Native函数库直接分配堆外内存，通过存储在Java堆上的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。
受本机总内存大小和处理器寻址空间的限制。配置虚拟机参数时不能忽略。不能使内存区域总和大于物理内存限制。
HotSpot虚拟机对象探秘
剖析HotSpot的Java堆的对象分配，布局和访问过程。
对象的创建
虚拟机遇到new时，先检查这个指令的参数是否能找到一个类的符号引用，在检查该代表的类是否被加载，解析和初始化过。没有则先执行类加载过程。
类加载检查通过后，虚拟机需要为新生对线分配内存，大小在类加载完成后便已经确定。
分配内存方式分为两种：
- 指针碰撞：Java堆内存规整，分配时移动指针即可
- 空闲列表：Java堆内存不规整，需要记录那些内存块可用。分配完时应更新记录。
Java堆是否规整又由垃圾收集器是否带压缩整理功能决定。
Java堆是线程共享的，存在线程安全问题。解决办法两种：
- 对分配内存动作同步处理：虚拟机采用CAS+失败重试保证更新操作的原子性。
- 把内存分配按线程划分在不同空间下：每个线程在Java堆中预先分配一块内存，称本地线程分配缓冲（TLAB），TLAB用完时并重新分配TLAB才需要同步锁定。通过-XX:+/-UseTLAB设定是否使用TLAB
内存分配完成后需要对空间初始化话零值。可以在Java代码中使用不赋初始值的字段。然后虚拟机需要对对象进行设置，如该对象是那个类的实例,如何找到类的元数据信息，对象的哈希吗，对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象头中。
从Java视角看对象的< init >方法还没执行，还需要执行init方法。
对象的内存布局
Java对象.png
Java对象头mark word存储自身运行时数据，如哈希码，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。
Java数组对象头：
- java数组对象头在未压缩指针情况下16B+8B（存储数组长度）=24B
- java数组对象头在压缩指针情况下12B+4B（存储数组长度）=16B
reference压缩下占4B
测试代码：
使用详情jvm-obj-size
public class ObjSizeFetcherTest {
public static void main(String[] args) throws IllegalArgumentException, IllegalAccessException {
long size = 0;
long fullSize = 0;
Object obj=new Object();
size = ObjSizeFetcher.sizeOf(obj);
fullSize = ObjSizeFetcher.fullSizeOf(obj);
msg("obj", size, fullSize);
// +UseCompressedOops: size = 16=12(对象头)+0(实例数据)+4(对齐填充), fullSize = 16
// -UseCompressedOops: size = 16=16(对象头)+0(实例数据)+0(对齐填充)，fullSize = 16
A a = new A();
size = ObjSizeFetcher.sizeOf(a);
fullSize = ObjSizeFetcher.fullSizeOf(a);
msg("a", size, fullSize);
// +UseCompressedOops: size = 16=12(对象头)+4*1(实例数据)+0(对齐填充), fullSize = 16
// -UseCompressedOops: size = 24=16(对象头)+4*1(实例数据)+4(对齐填充), fullSize = 24
B b = new B();
size = ObjSizeFetcher.sizeOf(b);
fullSize = ObjSizeFetcher.fullSizeOf(b);
// +UseCompressedOops: size = 24=12(对象头)+4*2(实例数据)+4(对齐填充), fullSize = 24
// -UseCompressedOops: size = 24=16(对象头)+4*2(实例数据)+0(对齐填充), fullSize = 24
msg("b", size, fullSize);
size = ObjSizeFetcher.sizeOf(new int[0]);
fullSize = ObjSizeFetcher.fullSizeOf(new int[0]);
msg("int[0]", size, fullSize);
// +UseCompressedOops: size = 16=12(对象头)+4(存放长度)+0(实例数据)+0(对齐填充), fullSize = 16
// -UseCompressedOops: size = 24=16(对象头)+8(存放长度)+0(实例数据)+0(对齐填充), fullSize = 24
size = ObjSizeFetcher.sizeOf(new Integer[0]);
fullSize = ObjSizeFetcher.fullSizeOf(new Integer[0]);
msg("Integer[0]", size, fullSize);
// +UseCompressedOops: size = 16, fullSize = 16
// -UseCompressedOops: size = 24, fullSize = 24
size = ObjSizeFetcher.sizeOf(new int[2]);
fullSize = ObjSizeFetcher.fullSizeOf(new int[2]);
msg("int[2]", size, fullSize);
// +UseCompressedOops: size = 24, fullSize = 24
// -UseCompressedOops: size = 32, fullSize = 32
size = ObjSizeFetcher.sizeOf(new Integer[2]);
fullSize = ObjSizeFetcher.fullSizeOf(new Integer[2]);
msg("Integer[2]", size, fullSize);
// +UseCompressedOops: size = 24, fullSize = 24
// -UseCompressedOops: size = 40, fullSize = 40
size = ObjSizeFetcher.sizeOf(new float[0]);
fullSize = ObjSizeFetcher.fullSizeOf(new float[0]);
msg("float[0]", size, fullSize);
// +UseCompressedOops: size = 16, fullSize = 16
// -UseCompressedOops: size = 24, fullSize = 24
size = ObjSizeFetcher.sizeOf(new Float[0]);
fullSize = ObjSizeFetcher.fullSizeOf(new Float[0]);
msg("Float[0]", size, fullSize);
// +UseCompressedOops: size = 16, fullSize = 16
// -UseCompressedOops: size = 24, fullSize = 24
size = ObjSizeFetcher.sizeOf(new A[0]);
fullSize = ObjSizeFetcher.fullSizeOf(new A[0]);
msg("A[0]", size, fullSize);
// +UseCompressedOops: size = 16, fullSize = 16
// -UseCompressedOops: size = 24, fullSize = 24
size = ObjSizeFetcher.sizeOf(new char[2]);
fullSize = ObjSizeFetcher.fullSizeOf(new char[2]);
msg("char[2]", size, fullSize);
// +UseCompressedOops: size = 24, fullSize = 24
// -UseCompressedOops: size = 32, fullSize = 32
String s = new String("aaaaaaaa");
size = ObjSizeFetcher.sizeOf(s);
fullSize = ObjSizeFetcher.fullSizeOf(s);
msg("s", size, fullSize);
//String有2个变量
// +UseCompressedOops: size = 24=12+4(hash)+4(value指针)+4(padding),fullSize = 56
// -UseCompressedOops: size = 32, fullSize = 72
C c = new C(a, b);
size = ObjSizeFetcher.sizeOf(c);
fullSize = ObjSizeFetcher.fullSizeOf(c);
msg("c", size, fullSize);
// +UseCompressedOops: size = 24=12(头)+2*4(引用)+4(填充), fullSize = 64=12+2*4(引用)+16(A)+24(B)+4(padding)
// -UseCompressedOops: size = 32, fullSize = 80
}
private static void msg(String obj, long size, long fullSize) {
System.err.println(obj + "--> size = " + size + ", fullSize = " + fullSize);
}
}
class A {
int a;
}
class B {
int a;
int b;
}
class C {
A a;
B b;
public C(A a, B b) {
this.a = a;
this.b = b;
}
}
对象的定位访问
两种主流方式:
- 句柄
- 直接指针
句柄方式需要在内存中划分一块作为句柄池。
句柄方式访问对象
直接指针方式需要考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference中存储的是对象的地址。
直接指针方式
两种方式各有优势：
句柄方式最好的是reference中稳定的句柄地址。对象移动改变句柄的实例数据指针即可。reference不需改变。
直接访问方式最好的是速度快，节省指针定位开销。HotSpot采用直接访问方式。
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