自动内存管理之内存区域-Java虚拟机（一）

1 运行时数据区域

运行时数据区域可以划分为由所有线程共享的方法区、堆和线程隔离的虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。

1.1 程序计数器（Program Counter Register）-线程隔离

程序计数器是一块较小的内存空间，它是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

Java虚拟机的多线程是通过多线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的。为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要一个独立的程序计数器。

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方法（Native），这个计数器值则应为空。

该内存区域是唯一一个不存在OutOfMemoryError情况的区域

1.2 Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）-线程隔离

Java虚拟机栈是线程私有的，它的生命周期与线程相同。每个Java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、动态链接、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Java虚拟机基本数据类型、对象引用和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）
局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，long和double类型的数据占用两个变量槽，其余数据类型占用一个。
局部变量表所需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时完全确定的，方法运行期间不会改变局部变量表的大小（即变量槽的数量）

如果线程请求的栈深大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError；如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展，当扩展时无法申请到足够的内存，会抛出OutOfMemoryError。

1.3 本地方法栈（Native Method Stacks）-线程隔离

虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用本地（Native）方法服务。

与虚拟机栈一样，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异常和OutOfMemoryError异常

1.4 堆（Java Heap）-线程共享

Java堆是虚拟机所管理的内存中最大的一块，Java堆是被所有线程所共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。

The heap is the runtime data area from which memory for all class instances and arrays is allocated.

所有的对象实例以及数组都应当在堆上分配
-《Java虚拟机规范》

Java堆的作用是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。随着即时编译技术的发展，Java对象实例分配在堆上也变得不是那么绝对了。

Java堆也称GC堆，是垃圾收集器管理的区域。大部分垃圾收集器都是基于分代收集理论设计的，所以往往我们会将Java堆划分为新生代、老年代等不同区域，以便更好地回收内存。
虽然Java堆是线程共享的，但是我们也可以为各个线程划分出私有的分配缓冲区，以便更快地分配堆内存

Java堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的（一般是可扩展的，通过-Xms和-Xmx设定堆大小）。当Java堆内存不足以完成实例分配时，将会抛出OutOfMemoryError。

1.5 方法区（Method Area）-线程共享

方法区也是各线程共享的内存区域，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。《Java虚拟机规范》将此区域描述为堆的一个逻辑部分。

HotSpot团队将垃圾收集器的分代收集理论扩展至方法区，使用永久代来实现方法区，省去了编写专门的针对方法区的内存管理代码。这种设计使方法区容易遇到内存溢出问题，同时会使HotSpot虚拟机在少数情况下与别的虚拟机有不同的表现。
后续HotSpot舍弃了永久代的设计，移出永久代里的字符串常量池、静态变量放至堆中。采用本地内存来实现方法区，更名永久代为元空间，在该区域保存类型信息（主要）、代码缓存、运行时常量池等数据

字符串常量池和运行时常量池有什么区别呢？
在还存在永久代的设计方案里，字符串常量池是被包括在运行时常量池中的，JDK1.7后字符串常量池就被移至堆中。
运行时常量池作为方法区的一部分，存放着Class文件中的常量池表（Constant Pool Table）这项信息。这张表里存放着编译期生成的各种字面量与符号引用（包括由符号引用翻译出来的直接引用）。
字符串常量池类似一个缓存区。考虑到大量频繁地创建字符串，会影响到程序的性能，因此专门为字符串常量开辟了字符串常量池，用户创建字符串常量时，首先查询常量池中是否存在该字符串，如果存在直接返回引用；不存在时，创建新的字符串常量并放入池中。

方法区的内存，也可以固定大小或者可扩展大小，该区域甚至可以选择不实现垃圾收集。这块区域的垃圾收集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，会抛出OutOfMemoryError异常

1.6 直接内存（Direct Memory）

直接内存不属于虚拟机运行时数据区的一部分。

某些机制（如，NIO）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，避免在Java堆和Native堆中来回复制数据

直接内存不受Java堆大小的限制，但仍受本机总内存大小的限制。当程序员根据实际内存情况配置各内存区域大小参数（如，-Xmx）时，遗漏直接内存的使用空间，就容易导致动态扩展时出现OutOfMemoryError

2 HotSpot虚拟机对象

2.1 对象的创建

创建对象（不包括数组和Class对象）通常是通过字节码new指令。

创建流程包括：

1. 检查这个指令的参数是否能在常量池（方法区）中定位到一个类的符号引用
2. 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，必须先执行相应的类加载过程
3. 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
4. 将分配到的内存空间都初始化为零值
5. 对对象进行必要的设置，即在对象的对象头（Object Header）中存放一些信息（如，GC分代年龄信息、是否启用偏向锁、这个对象是哪个类的实例等）
6. new指令之后会接着执行invokespecial指令，即<init>()方法，按照程序员的意愿对对象进行初始化（Java编译器会在遇到new关键字的地方同时生成new指令与invokespecial指令）

其中第3步，在堆上为对象分配空间有两种方式：

• 垃圾收集器带有空间压缩整理的能力，则Java堆是绝对规整的，则可通过指针碰撞（Bump the Pointer，指针向空闲空间方向挪动一段与对象大小相等的距离）的方式分配内存
• 其他垃圾收集器（如CMS这种基于标记-清除算法的收集器），需要采用较为复杂的空闲列表来分配内存

分配内存还需要考虑到多线程并发的情形，我们可以通过两种方式实现线程安全：

• 堆分配内存空间的动作进行同步处理（如CAS方式）
• 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（TLAB，Thread Local Allocation Buffer，可以通过配置参数设定是否设置分配缓冲）

2.2 对象的内存布局

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）

对象头中包括两类信息：

• 一类是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），这部分数据被称为Mark Word
• 一类是类型指针，即对象指向它的类型元数据的指针，可以通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。如果对象是一个Java数组，对象头中还需要记录数组的长度

实例数据部分是对象真正存储的有效信息。即我们在程序代码里面所定义的各种类型的字段内容，包括从父类继承下来的和子类中定义的字段。默认情况下，相同宽度的字段会被分配在一起存放，父类中定义的变量会出现在子类之前，还会受字段在源码中定义顺序的影响。也可以通过配置调整分配策略

对齐填充起着占位符的作用，因为HotSpot虚拟机要求对象的起始地址必须是8字节的整数倍

2.3 对象的访问

句柄访问对象

通过句柄访问，Java堆中会划分一块内存作为句柄池，reference中存储对象的句柄地址，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
优点：当对象被移动（如，垃圾收集）时只需要改变句柄中的实例数据指针，reference本身不需要被修改

直接指针访问对象

使用直接指针访问，Java堆中的对象中需要存放访问类型数据的信息，reference中直接存储对象地址
优点：直接指针访问速度更快，节省一次指针定位的时间开销。因为对象访问十分频繁，所以在总体的执行成本优化上十分可观

3 内存溢出

3.1 Java堆

1）场景：不断创建对象

// VM Args: -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
public static void main(String[] args) {
	List<Object> list = new ArrayList<Object>();
	while(true) {
	    list.add(new Object());
	}
}

2）报错：java.lang.outOfMemoryError: Java heap space

3）分析：可以对dump出来的堆转储快照进行分析

• 首先明确出现了内存泄露（Memory Leak）还是内存溢出（Memory Overflow）
• 内存泄漏指程序申请的内存在使用完之后未能被释放。可以通过工具查看泄露对象到GC Roots的引用链，找到泄露对象是通过怎样的引用路径、与哪些GC Roots相关联，才导致垃圾收集器无法回收他们。
• 内存溢出指内存中这些大量的对象确实都是必须存活的，只是没有足够的内存空间容纳他们了。可以调整堆参数（-Xmx）看看否有向上调整的空，或者检查是否存在某些对象生命周期过长、持有状态时间过长、存储结构设计不合理等情况

3.2 虚拟机栈和本地方法栈

1）场景：无限递归调用Java方法

// VM Args:-Xss128k
private static void stackLeak() {  
    stackLeak();  
}  

public static void main(String[] args) {  
    stackLeak();  
}

2）报错：java.lang.StackOverflowError

3）分析：栈帧数量过多，虚拟机栈容量小，新的栈帧在内存中无法分配时，将导致内存溢出。然而当虚拟机的栈内存不允许动态扩展时，抛出StackOverflowError，允许扩展仍然无法申请到足够内存时，抛出OutOfMemoryError（HotSpot虚拟机是不支持动态扩展的）

4）场景：无限生成新的线程（容易导致操作系统假死，不建议测试）

// VM Args: -Xss2m
public static void main(String[] args) throws Throwable{
    while(true) {
        new Thread(() -> {
            while (true);
        }).start();
    }
}

5）报错：java.lang.OutOfMemoryError: unable to create native thread

6）分析：栈空间是线程隔离的，每一个线程都会有自己的栈空间，当线程过多时，每个线程都需要申请一定大小的栈空间（栈空间越大，能够申请的线程数量越少），而操作系统分配给每个进程的内存是有限的（如，单个进程最大内存限制为2GB）

3.3 方法区和运行时常量池

1）场景：借助CGLib不断动态生成新类

// -XX:MaxMetaspaceSize=10M --add-opens java.base/java.lang=ALL-UNNAMED
public static void main(String[] args) throws Throwable{  
    while(true) {  
        Enhancer enhancer = new Enhancer();  
        enhancer.setSuperclass(MyObject.class);  
        enhancer.setUseCache(false);  
        enhancer.setCallback((MethodInterceptor) (o, method, objects, methodProxy) -> methodProxy.invokeSuper(o, objects));  
        enhancer.create();  
    }  
}  
  
static class MyObject {  
}

2）报错：java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace

3）分析：Java8以后，方法区的内容被放在元空间，而方法区的主要职责是存放类型的相关信息，当我们在运行时生成大量动态类（如，CGLib字节码增强和动态语言Groovy、大量JSP文件第一次运行被编译为Java类、基于OSGi的应用使用不同的类加载器加载同一个类文件生成不同的类等）就会导致方法区溢出

4）你可能会遇到：java.lang.reflect.InaccessibleObjectException-->Unable to make protected final java.lang.Class的报错信息，这是由于JDK 8中有关反射相关的功能自从JDK 9开始就已经被限制了，为了兼容原先的版本，需要在运行项目时添加 --add-opens java.base/java.lang=ALL-UNNAMED 选项来开启这种默认不被允许的行为

3.4 本机直接内存

1）场景：使用Unsafe类分配本机内存

// -Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
private static final int _1MB = 1024 * 1024;  
  
public static void main(String[] args) throws Throwable{  
    Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];  
    unsafeField.setAccessible(true);  
    Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);  
    while (true) {  
        unsafe.allocateMemory(_1MB);  
    }  
}

2）报错：java.lang.OutOfMemoryError: Unable to allocate 1048576 bytes

3）分析：由直接内存导致的内存溢出，一个明显特征是在Heap Dump文件中不会看见有什么明显的异常情况。如果发现内存溢出之后产生的Dump文件很小，而程序中又直接或间接使用了DirectMemory（如，NIO），就可能是直接内存溢出了

参考文献

1. 参考书籍：《深入理解Java虚拟机》
2. 深刻理解运行时常量池、字符串常量池 - 掘金 (juejin.cn)