Java虚拟机(JVM)：第二幕：自动内存管理 - Java内存区域与内存溢出异常

前言：Java与C++之间有一堵高墙，主要是有内存动态分配和垃圾收集技术组成的。墙外的人想要进来，墙内的人想要出去。

　　一、运行时数据区域

　　　　JVM在执行Java程序时，会将其管理的内存划分为若干个不同的数据区域。

　　　　　1、是程序计数器，一个处理器一般只会执行一条线程的指令。为了线程切换后恢复到正确的执行位置，每一条线程都需要一个独立的程序计数器，每一个计数器互相不影响，独立存储，最重要的一点事，此类内存区域属于“线程私有”的内存。

　　　　2、接下来介绍，Java虚拟机栈也是线程私有的，虚拟机栈指的是Java方法执行的线程内存模型。经常有人将Java内存区域笼统的划分为“堆内存”和“栈内存”。这里的“栈内存”指的是Java虚拟机栈，但是确切的说是，虚拟机栈中的局部变量表部分。局部变量表存储了各种基本的数据类型，存储空间以局部变量槽表示，关于局部变量槽所占用的比特数量，有虚拟机决定。

　　　　3、其次是本地方法栈：为虚拟机用到的本地方法服务，有些虚拟机会将本地方法栈和虚拟方法栈合并(HotSpot：关于它的解释，见以前的博客)。

　　　　4、Java堆：Java堆是虚拟机所管理的内存中的最大的一部分，被所有线程所共享，同时也是垃圾收集器管理的内存区域，从分配内存的角度来看，Java堆可以分出多个线程私有的分配缓冲区，来提高对象分配时的效率。PS：根据规定，Java堆在物理上可以不连续，但是在逻辑上是连续的。

　　　　5、方法区：是一个线程共享的内存区域，用来存储已经被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量等数据。

　　　　6、运行时常量池：方法区的一部分，Class文件中除了常见的描述信息外，还有一项信息是常量池表，用来存放编译期生成的高中字面量和符号引用，常量池表的内容在类引用之后存放到方法区中的运行时常量池中。另外一个特征是动态性，可以在运行期间将新的常量加入池中。

　　　　7、直接内存：使用native函数库直接分配堆外内存，通过存放在Java堆中的对象作为这一部分内存的引用进行操作。

　　二、HotSpot虚拟机对象探秘

　　　　在第一部分，学习了内存存放什么，但是对于如何创建以及如何访问等，存在着盲区，这里采用最常见的虚拟机Hotspot和最常用的内存区域Java堆。来深入探讨一些虚拟机内部的神秘世界。

　　　　2.1、对象的创建

　　　　　　1、当遇到new命令时，检查指令的参数是否能在常量池中正确定位符号的引用，检查符号代表的类是否被加载、解析和初始化过。如果没有执行操作2。

　　　　　　2、类加载检查通过后，为新生对象分配内存（大小确定），Java堆中的内存必定存在已经分配和未被分配的，所以分配方式引入“指针碰撞”的方式进行分配内存[Java堆内存是规整的]，如果不规整的话，需要采用“空闲列表”的方式，来分配内存。

　　　　　　3、除了划分可用空间之外，对象在虚拟机创建的行为是频繁的，经常发生“线程安全”问题，解决方法：1、保证分配空间的原子性。2、预先分配内存，此方式为“本地线程分配缓冲”：哪家线程要分配内存，就在哪家的本地缓冲区中分配，只有这一次的本地缓冲区用完之后，采用分配新的，同时进行同步锁定。

　　　　　　4、分配到的内存空间初始化为零值，这样的操作，对应到Java代码中为：不用赋予初始值就可以使用。

　　　　　　5、所有的信息都要存储到对象头中。

　　　　　　6、虽然上述操作介绍完了，但是仅此还是不够的。对象构建需要的其他资源也没有弄好。　　

　　　　2.2、对象的内存布局

　　　　　　HotSpot虚拟机中，对象在堆内存中的存储布局主要分为三个部分：对象头、实例数据、对齐填充。

　　　　　　首先介绍一下对象头，对象头主要分为两部分，第一部分是用于存储对象自身的运行时数据，包括各类的标识元数据信息，为了更好的存储数据，所以将此设计为动态定义的数据结构。第二部分是类型指针，也就是对象指向它的类型元数据的指针，查找对象的元数据信息并不一定经过对象本身。

　　　　　　实例数据：用来存储对象的真正有效的信息，也就是我们在程序代码中定义的各种类型的字段内容。

　　　　　　对齐填充：仅仅是占位符的作用，因为自动内存管理系统要求对象的起始地址必须是8字节的整数倍，所以，对于对象实例数据没有对齐的部分，就需要通过填充来对齐。

　　　　2.3、对象的访问定位

　　　　　　因为在Java程序中没有被定义，所以具体的访问方式需要在虚拟机中去实现，主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。

　　　　　　1、使用句柄：这个像是引入了“中间商”，Java堆中划出一块内存来当做句柄池。

　　　　　　2、使用直接访问：reference存储的直接就是对象地址。

　　　　　　两者只能说是各有优劣，句柄最大的好处是，当对象被移动是，只会修改句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。直接指针最大的优点就是访问速度更快。本文以HotSpot为主，它采用的是直接指针访问的方式，但是如果从整个软件开发的范围来看，使用句柄来访问显得更加的优秀。

　　三、实战：OutOfMemoryError 异常

　　　　1、Java堆溢出：这种异常方式是最为常见的内存溢出情况，解决方法在于：通过内存映像分析工具 对Dump出来的堆转储快照进行分析。存在内存泄漏和内存溢出两种。

　　　　2、虚拟机栈和本地方法栈溢出：

　　　　3、方法区和运行时常量池溢出：运行时常量池是方法区的一部分.

　　　　4、本地直接内存溢出‘：直接内存的大小可以通过参数来制定。