[深入理解JVM虚拟机]第2章-Java内存区域与内存溢出异常

2.0引-Java内存区域中，栈内存和堆内存分别装什么，为什么？

• 栈：解决程序的运行问题，即程序如何执行，或者说如何处理数据。
• 堆：解决的是数据存储的问题，即数据怎么放，放在哪儿。

参考链接https://www.cnblogs.com/gdufs/p/6407432.html

2.2运行时数据区

线程隔离的运行时数据区：程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈

• 程序计数器：当前线程所执行的字节码的行号指示器，由于线程私有，故借助程序计数器线程切换后能恢复到正确的执行位置。
• Java虚拟机栈：每个方法在执行时会创建一个栈帧。每一个方法从调用至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
• 本地方法栈 ？todo

线程共享的运行时数据区：Java堆、方法区（其中包含运行时常量池）

• Java堆：存放对象实例。是垃圾收集器管理的主要区域。
• 方法区：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。？
• 运行时常量池：是方法区的一部分。？todo

此外，直接内存不属于运行时数据区，但它也可能会产生内存溢出。Java中NIO类可以直接分配堆外内存。

2.3（基于HotSpot虚拟机）对象

对象的创建步骤

• step1：类加载。new指令的符号参数在常量池定位到类的符号引用，检查这个符号引用代表的类是否被加载、解析、初始化过，没有的话首先进行类加载。
• step2：为新对象分配内存。
  • 问题一:如何划分可用空间：
    • 方法一：指针碰撞。如果虚拟机堆中的内存是规整的，则把堆空闲内存指针移对象大小等大小距离即可。
    • 方法二：空闲列表。如果堆内存不规整，就要维护一个空闲列表记录空闲的内存块。
  • 问题二：修改指针所指向的位置，如何在并发情况下保证此操作是线程安全的。
    • 方法一：对分配内存空间的动作进行同步：虚拟机采用CAS？+失败重试的方式保证更新操作的原子性。
    • 方法二：本地线程分配缓冲（TLAB）：即每个线程预先在队中分配一小块内存，是内存分配的动作在不同空间进行。只需在分配新TLAB时，进行同步锁定。选择是要用TLAB可通过参数-XX：+/-UseTLAB设定。
• step3:将分配到的内存空间初始化为零值。
• step4:对对象进行必要的设置。包括这个对象是哪个类的实例等。
• step5:从虚拟机角度，step1-4完成了对象的创建。但从Java程序视角来看，还需要对对象进行初始化（init方法）。

对象的内存布局

HotSpot虚拟机中，对象内存存储=对象头(Mark Word)+实例数据+对齐填充。

其中，对象头包含哈希码、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。它是一个非固定的数据结构，根据对象的状态复用自己的存储空间。

对象的访问定位

• 两种，一种是通过句柄访问对象，一种是通过直接指针访问对象。
  • 通过句柄访问对象：Java堆中划分出一块内存作为句柄池，reference中存储的是对象的句柄地址，句柄中包含了对象实例数据地址（位于Java堆）及对象类型数据地址（位于方法区）
  • 通过直接指针访问对象：reference中存储的就是对象地址，对象中包括：对象类型数据指针（位于Java堆）+对象实例数据（位于方法区）。
• 对比
  • 不同点：就是reference存储的是什么、Java堆中是否有句柄池、对相关类型数据的地址存在句柄池还是对象的对象头中。
  • 各自优势：句柄方式：reference中存储的是稳定的句柄地址，当对象被移动reference本身不需要修改；直接指针方式：快，节省了一次指针定位的开销。 - HotSpot使用直接指针访问方式。

2.4OutOfMemoryError异常

虚拟机内存除程序计数器外的其他几个运行时区域都可能发生OutOfMemoryError（OOM）异常。

2.4.1Java堆溢出

• 产生堆溢出：当把堆设置为不自动扩展（设置堆最小值-Xms参数=堆最大值参数-Xmx参数）时，不断创建对象，并且保证GC Roots到对象之间有可达路径来避免垃圾回收机制清除这些对象，那么创建的所有对象超过堆的容量限制后，就会产生OutOfMemoryError异常。
• 排查方法：
  • 步骤1 通过内存映象分析工具对Dump出来的堆转储快照？进行分析，重点是确认是内存泄漏（指内存中有许多不必要对象）还是内存溢出（内存中的对象都是有必要的）。
  • 步骤2 如果是内存泄漏：通过工具，查看泄漏对象到GC Roots的引用链，就可以较准确地定位泄露代码的位置。
  • 如果是内存溢出：在物理内存允许的情况下，调大虚拟机的堆参数；此外，检查代码中睡否某些对象生命周期过长，持有状态时间过长？。

2.4.2虚拟机栈和本地方法栈溢出

• 虚拟机参数：HosSpot虚拟机不区分虚拟机栈和本地方法栈，所以-Xoss参数（设置本地方法栈大小）是无效的。栈容量只由-Xss参数控制。

• 关于虚拟机栈和本地方法栈，Java虚拟机规范描述了两种异常：已使用的栈空间太大：StackOverflowError；内存太小：OutOfMemoryError。但是这本质是对同一件事情的两种描述而已。

• 由栈内存原因产生StackOverflowError异常：

  • 单线程下：方法一：减少栈内存容量。方法二：定义大量本地变量。单线程下，经测试这两种方法均抛出StackOverflowError异常。

• 产生OutOfMemoryError异常：

  • 多线程下：通过不断建立线程产生OutOfMemoryError（内存溢出）异常，但这与栈内存容量是否足够大并无关联。事实上，反而每个线程分配的栈内存越大，越容易造成OutOfMemoryError异常。因为OS给每个进程分配的内存（瓜分给：Xmx最大堆容量+MaxPermSize最大方法区容量+最大栈容量（包括虚拟机栈和本地方法栈）+程序计数器占用的（较小，可忽略不计）+虚拟机进程本身耗费的（暂略））是有限制的，所以若每个线程分配的栈内存越大，可以建立的线程数就越少，就越容易在建立线程时把内存耗尽。

• 排查方法：

  • 针对StackOverflowError，可以阅读错误堆栈，找到问题所在。
  • 多线程下，针对OutOfMemoryError，在不能减少线程数或更换64位虚拟机的情况下，则可以通过减少最大堆容量和减少栈容量来换取更多线程。

2.4.3方法区和运行时常量池溢出

• 方法区：
  • 造成内存溢出：生成大量类。主流框架当有大量类增强，就可能会造成内存溢出。方法区溢出是常见的内存溢出异常，因为一个类被判定回收的条件非常苛刻。
  • 需要注意方法区溢出的场景：动态生成大量类；使用CGLib字节码增强；动态语言；大量JSP的应用；基于OSGi的应用。
• 方法区中的运行时常量池：
  • 造成内存溢出：JDK1.6中，String.intern()不断建立常量，且保持引用保证不被GC，会造成内存溢出。JDK1.7以后String.intern()使用引用的方法，不再复制，不会造成内存溢出。
  • 排查方法：JDK1.6中，异常会提示OutOfMemoryError：PermGen space，说明是（HotSpot虚拟机）永久代的异常。JDK1.7后开始逐步“去永久代”。

2.4.4 本机直接内存溢出

• 参数： -XX：MaxDirectMemorySize 指定，否则默认与Java堆最大值一样。
• 排查方法：Heap Dump文件？ 不会看到明显异常，如果发现OutOfMemoryError后Dump文件很小，程序中又使用了NIO，可以考虑是否是本机直接内存溢出。