深入理解Java虚拟机 - 自动内存管理机制

beyondlicg
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Java与C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的“高墙”，墙外面的人想进来，墙里面的人想出去。

学习虚拟机的内存管理机制的意义

对于java程序员，在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，不再需要为每个new操作写配对的delete/free代码，不容易出现内存泄露和溢出的问题，一切都看似十分美好。不过，也正因为Java程序员把内存控制的权利交给了虚拟机，一旦内存出现泄露或溢出，如果不了解虚拟机是怎样管理内存的，那么排查起来讲变得十分吃力。

运行时数据区域

1.1 程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。每个线程都有一个独立的程序计数器，用于记录当前线程的执行位置，各个线程的程序计数器互不影响，独立存储，这类内存区域被称为“线程私有”的内存。此内存是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError的区域。

1.2 Java 虚拟机栈

与程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每一个方法在执行时都会创建一个栈帧（用于存储局部变量表、操作数栈、方法出口等信息），每一个方法的调用和完成对应着一个栈帧的入栈和出栈。
局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型、对象引用（引用类型，不等同于对象本身）和returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）。局部变量表所需要的内存空间在编译期间就明确可知，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表空间是完全确定的，在方法运行期间是不会改变的。

1.3 本地方法栈

与虚拟机栈发挥的作用很类似，区别是：虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈为虚拟机使用到的Native（本地）方法服务。两者的工作原理是一致的，只是服务的对象不同。

1.4 Java 堆

Java堆是虚拟机管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的，在虚拟机启动时创建。此内存的唯一目的就是存放实例对象，几乎所有的对象实例都在此分配内存。
Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称为“GC堆”。从内存回收的角度看，由于现在的收集器基本都基于分代算法，所以Java堆又可以细分为：新生代和老年代；更细致的话有Eden 空间、From Survivor 空间、To Survivor 空间等。但无论怎么划分，每个区域存储的仍然是对象的实例，进一步划分只是为了更好地回收内存或者更快地分配内存。

1.5 方法区

方法区与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。此区域又被人称为“永久代”。垃圾回收行为在此区域是比较少出现的，此区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和类型的卸载，但是回收的成绩却很难让人满意，类型的卸载的条件也是十分苛刻。

1.6 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、接口等信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容在类加载后进入方法区的运行时常量池存放。

2.1 对象的创建

  1. 虚拟机遇到一条new指令时，首先检查这个指令的参数（new后的类）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，如果类没有加载，则先执行相应的类加载过程。
  2. 在类加载通过后，虚拟机将为新生对象分配内存，对象所需的内存大小在类加载后就完全确定，为对象分配内存等同于将一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。
    内存的分配有两种方式（由采用的垃圾收集器是否带有压缩整理的功能决定）：指针碰撞和空闲列表
    指针碰撞：Java堆中内存是绝对规整的，空闲的在一边，已用的在一边，中间用一个指针作为分界点的指示器，内存分配只需要将指针往空闲区域移动与对象大小相等的距离即可。
    空闲列表：Java堆内存是不规整的，空闲列表记录着哪些内存是空闲的，在分配时从列表中找到一块足够大的内存划分给对象，并更新列表的记录。
  3. 内存分配完成后，虚拟机将分配到的内存空间都初始化为零值（默认值）
  4. 接下来，虚拟机要对对象进行必要的设置，例如这个对象时哪个类的实例、如何找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分带年龄等，这些信息存储在对象的对象头中。

2.2 对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中的存储可以分为3块区域：对象头、实例数据和对齐填充。HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息：

  1. 第一部分用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志等
  2. 另外一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机根据这个指针确定这个对象是哪个类的实例。如果对象是一个Java数组，那在对象头必须有一块记录数组长度的数据。

2.3 对象的访问定位

建立对象就是为了使用对象，Java程序通过栈上的reference数据来操作堆上的对象。对象的访问形式取决于虚拟机的实现，目前主流的访问方式有句柄和直接指针两种：

  1. 句柄：Java堆会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，而句柄中存储了对象实例数据和类型数据的具体地址信息

  2. 直接指针：reference存储的直接是对象的地址，对象的布局就必须考虑放置访问类型数据的信息

  • 两种访问方式的对比
  1. 使用句柄访问的最大好处是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时（垃圾收集时对象移动是十分普遍的）不需要修改reference，只需要修改句柄中实例数据指针
  2. 使用直接指针访问的最大优势在速度更快，因为它不需要进行两次查询，节省了一次指针定位的开销。由于对象的访问在Java中非常频繁，所以这类开销集少成多是十分可观的。HotSpot虚拟机采用的就是第二种方式。

实战

  • Java 堆溢出
package com.whut.java;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * Java 堆溢出
 * JVM参数：
 * 1. -Xms20m：设置堆的最小值为20m
 * 2. -Xmx20m：设置堆的最大值为20m
 * 堆最小值和最大值相等，说明堆大小不可拓展
 *
 * 3. -XX:+HeapOutOfMemoryError: 虚拟机出现内存溢出时Dump出堆的快照以便进行分析
 */
public class HeapOOM {
    public static void main(String[] args){
        // 使用objects保持对象实例的引用，避免GC自动回收堆内存
        List<OOMObject> objects = new ArrayList<>();

        while (true){
            OOMObject oomObject = new OOMObject();
            objects.add(oomObject);
        }
    }

}


class OOMObject{

}

堆溢出

  • 虚拟机栈溢出
package com.whut.java;

/**
 * User:  Chunguang Li
 * Date:  2018/3/7
 * Email: 1192126986@foxmail.com
 */

/**
 * 虚拟机栈溢
 * JVM参数：
 * -Xss128k：设置栈容量为128k
 */
public class StackOOM {
    private int stackLength = 1;

    /**
     * 递归调用，方法入栈
     */
    public void stackLeak(){
        stackLength ++ ;
        stackLeak();
    }

    public static void main(String[] args) {
        StackOOM stackOOM = new StackOOM();
        try {
            stackOOM.stackLeak();
        }catch (Throwable e){
            System.out.println("stack length: " + stackOOM.stackLength);
            throw e;
        }
    }

}

栈溢出

  • 方法区和运行时常量池
package com.whut.java;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * User:  Chunguang Li
 * Date:  2018/3/7
 * Email: 1192126986@foxmail.com
 */

/**
 * 方法区和运行时常量池溢出
 * JVM参数：
 * -XX：PermSize=10m：设置方法区内存为10m
 * -XX:MaxPermSize=10m：设置方法区最大内存为10m
 */
public class RuntimeConstantOOM {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用list保持着字符串常量的引用，避免GC自动回收常量池
        List<String> list = new ArrayList<>();
        int i = 0;
        while (true){
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}
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