• 1.Java内存区域与内存溢出异常
• 2.垃圾收集器与内存分配策略
• 3.虚拟机性能监控、故障处理工具
• 4.调优案例分析与实战

本小节主要是Java内存区域笔记。内存溢出异常实战在JVM调优笔记中。

一、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。

Java虚拟机运行时数据区
1.程序计数器
程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的 字节码的行号指示器。在Java虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作时就是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，它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的，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执行位置，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，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

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；如果正在执行的是本地（Native）方法，这个计数器值则应为空（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.Java虚拟机栈
Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）也是线程私有的，它的生命周期 与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，Java虚拟机都 会同步创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信 息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型、对象引用（reference类型）和returnAddress 类型（指向了一条字节码指令的地址）。

这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，其中64位长度的long和 double类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。局部变量表所需的内存空间在编 译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定 的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。这里说的“大小”是指变量槽的数量， 虚拟机真正使用多大的内存空间是完全由具体的虚拟机实现自行决定的事情。

这个内存区域规定了两类异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚 拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩 展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。

3.本地方法栈
本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别只是虚拟机 栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native） 方法服务。具体的虚拟机可以根据需要自由实现它。本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失 败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

4.Java堆

Java堆（Java Heap）是虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所 有线程共享的一块内存区域，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，Java 世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的内存区域，因此一些资料中它也被称作“GC堆”（Garbage Collected Heap）。Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但在逻辑上它应该 被视为连续的。

如果从分配内存的角度看，所有线程共享的Java堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区 （Thread Local Allocation Buffer，TLAB），以提升对象分配时的效率。

当前主流的Java虚拟机将Java堆都按照可扩展来实现的（通过参数-Xmx和-Xms设定）。如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再 扩展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。

5.方法区
方法区（Method Area）也是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载 的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。方法区被描述为堆的一个逻辑部分，有一个别名叫作“非堆”（Non-Heap），目的是与Java堆区分开来。

《Java虚拟机规范》对方法区的约束，不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，甚至还可以选择不实现垃圾收集。这区域的内存回 收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出 OutOfMemoryError异常。

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文件中的常量池表（Constant Pool Table），用于存放编译期生 成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常 量池，运行期间也可以将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的 intern()方法。当常量池无法再申请到内存 时会抛出OutOfMemoryError异常。

7.直接内存
直接内存（Direct 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。但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。

在JDK 1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区 （Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆里面的 DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了 在Java堆和Native堆中来回复制数据。

本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是会受到本身的限制。忽略掉直接内存去设置-Xmx等参数信息，可能使得各个内存区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现 OutOfMemoryError异常。

二、HotSpot虚拟机的对象

1.对象的创建
在语言层面上，创建对象通常（例外：复制、反序列化）仅仅是一个new关键字，而在虚拟机中，对象（文中讨论的对象限于普通Java对象，不包括数组和Class对象等）的创建又是怎样一个过程呢？

• 当Java虚拟机遇到一条字节码new指令时，首先将去检查这个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，那必须先执行相应的类加载过程。这部分详细内容后面讨论。

• 在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成 后便可完全确定，为对象分配空间的任务实际上便等同于把一块确定 大小的内存块从Java堆中划分出来。
  ① 假设Java堆中内存是绝对规整的，所有被使用过的内存都被放在一 边，空闲的内存被放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那 个指针向空闲空间方向挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为“指针碰撞”（Bump The Pointer）。
  ② 如果Java堆中的内存并不是规整的，已被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起，那 就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在分 配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录，这种分配方式称 为“空闲列表”（Free List）。
  选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整又由所采用 的垃圾收集器是否带有空间压缩整理（Compact）的能力决定。
  当使用CMS这种基于清除 （Sweep）算法的收集器时，理论上就只能采用较为复杂的空闲列表来分配内存。 强调“理论上”是因为在CMS的实现里面，为了能在多数情况下分配得更快，设计了一个叫作Linear Allocation Buffer的分配缓冲区，通过空闲列表拿到一大块分配缓冲区之后，在它里面仍然可以使用指 针碰撞方式来分配。
  ③ 对象创建在虚拟机中是非常频繁的行 为，即使仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的，可能出现正在给对象 A分配内存，指针还没来得及修改，对象B又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。解决这个问题 有两种可选方案：一种是对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机是采用CAS配上失败 重试的方式保证更新操作的原子性；另外一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进 行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），哪个线程要分配内存，就在哪个线程的本地缓冲区中分配，只有本地缓冲区用完 了，分配新的缓存区时才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX：+/-UseTLAB参数来设定。

• 内存分配完成之后，虚拟机必须将分配到的内存空间（但不包括对象头）都初始化为零值，如果 使用了TLAB的话，这一项工作也可以提前至TLAB分配时顺便进行。这步操作保证了对象的实例字段 在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，使程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

• Java虚拟机还要对对象进行必要的设置，这些设置在对象的对象头（Object Header）之中。

• 完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了。但是从Java程序的视 角看来，对象创建才刚刚开始——构造函数，即Class文件中的<init>()方法还没有执行，所有的字段都为默认的零值。一般来说，new指令之后会接着执行<init> ()方法，按照程序员的意愿对对象进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全被构造出来。

2.对象的内存布局
在HotSpot虚拟机里，对象在堆内存中的存储布局可以划分为三个部分：对象头（Header）、实例 数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

• 对象头
  HotSpot虚拟机对象的对象头部分包括两类信息。第一类是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，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个比特和64个比特，官方称它 为“Mark Word”。Mark Word被设计成一个有着动态定义的数据结构，以便在极小的空间内存储尽量多的数据，根据对象的状态复用自己的存储空间。

hotspot对象头markword

对象头的另外一部分是类型指针，即对象指向它的类型元数据的指针，Java虚拟机通过这个指针 来确定该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。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组长度的数据，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，但是如果数组的长度是不确定的，将无法通过元数据中的 信息推断出数组的大小。
markOop.cpp的部分代码代表了HotSpot虚拟机Mark Word，它描述了32位 虚拟机Mark Word的存储布局。

• 实例数据
  对象真正存储的有效信息，即在程序代码里面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字段都必须记录起来。这部分的存储顺序会 受到虚拟机分配策略参数（-XX：FieldsAllocationStyle参数）和字段在Java源码中定义顺序的影响。
  HotSpot虚拟机默认的分配顺序为longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers，OOPs），从以上默认的分配策略中可以看到，相同宽度的字段总是被分配到一起存 放，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HotSpot虚拟机的 +XX：CompactFields参数值为true（默认就为true），那子类之中较窄的变量也允许插入父类变量的空 隙之中，以节省出一点点空间。

• 对齐填充
  这并不是必然存在的，起着占位符的作用。由于HotSpot虚拟机的自动内存管理系统要求任何对象的大小都必须是8字节的整数倍。对象头部分已经被精心设计成正好是8字节的倍数（1倍或者 2倍），因此，如果对象实例数据部分没有对齐的话，就需要通过对齐填充来补全。

三、对象的访问定位

Java程序会通过栈上的reference数据来操作堆上的具 体对象。在《Java虚拟机规范》里面只规定了它是一个指向对象的引用，对象访问方式是由虚拟机实 现而定的，主流的访问方式主要有使用句柄和直接指针两种：

• 如果使用句柄访问的话，Java堆中将可能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各自具体的地址信息。 通过句柄访问对象
• 如果使用直接指针访问的话，Java堆中对象的内存布局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，如果只是访问对象本身的话，就不需要多一次间接访问的开销。 通过直接指针访问对象

这两种对象访问方式各有优势，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。
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，由于对象访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多也是一项极为可观的执行成本。
HotSpot主要使用第二种方式进行对象访问（有例外情况，如果使用了Shenandoah收集器的 话也会有一次额外的转发）。