Java虚拟机
参考《深入理解Java虚拟机》
java虚拟机的无关性
java虚拟机的无关性
1、JVM的运行时数据区域
1.1 程序计数器（Program Counter Register）
程序计数器是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。
由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个时刻，一个处理器（对于一个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；如果线程正在执行的是Native方法，这个计数器值为空（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。
1.2 Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）
线程私有，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：每个方法在执行的同时都会创建一个帧栈（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链表、方法出口等信息。
局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用和returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）。
其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的类型只占用一个。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。
在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常：
1）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；
2）如果虚拟机可以动态扩展，如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError的异常。
1.3 本地方法栈（Native Method Stack）
为虚拟机使用到的Native方法服务。
（Sun HotSpot虚拟机直接把方法栈和虚拟机栈合二为一）
会抛出StackOverflowError异常和OutOfMemoryError的异常。
1.4 Java堆（Java Heap）
1）对于大多数应用来说，是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。
2）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是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。
在Java虚拟机规范中：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配。
【随着JIT编译期的发展和逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不那么“绝对”了】
3）Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，又被称为“GC堆”（Garbage Collected Heap）。
4）Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上连续即可。实现上既可以是固定大小，也可以是可扩展的。不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展，将会抛出OutOfMemoryError异常。
1.5 方法区（Method Area）
别名：Non-Heap，目的与Java堆区分
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、即时编译器编译后的代码等数据。不需要连续内存和可以选择固定大小或者可扩展，还可以选择不实现垃圾收集。这个区域的内存回收主要针对常量池的回收和对类型的卸载。
当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。
1.6 运行时常量池（Runtime Constant Pool）
方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，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，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。
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，Java语言并不要求一定只有编译期才能产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，比较常用的是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。
1.7直接内存（Direct Memory）
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，但这部分内存被频繁使用。而且也可能导致OutOfMemoryError异常。
本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是会受到本机总内存（包括RAM以及SWAP区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制。
注意：服务器管理员在分配虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常忽略直接内存，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。
2、HotSpot虚拟机对象
2.1、对象的创建
1）类加载检查
2）为新生对象分配内存
（1）分配方式：指针碰撞（java堆中的内存是规整的）
（2）分配方式：空闲列表（内存不规整）
【选择哪种分配方式由java堆是否规整决定，java堆内存是否规整由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定】
解决方案：
（1）对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；
（2）TLAB本地线程分配缓冲：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。通过-XX:+/-UseTLAB参数来设定。
3）需要将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头）
4）对对象进行必要的设置——对象头
2.2、对象的内存布局
1）对象头
（1）用于存储对象自身的运行时数据；Mark Word
Mark Word被设计成一个非固定的数据结构，会根据对象的状态复用自己的存储空间
（2）类型指针
即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。
如果是数组，则必须有一块记录数组长度的数据，因为java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。
2）实例数据
对象真正存储的有效信息
存储顺序：虚拟机分配策略参数和字段在java源码中定义的顺序的影响
HotSpot默认分配策略：longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes、booleans、oops
如果CompactFields参数值为true（默认为true），那么子类之中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙中。
3）对齐填充
不必然存在，也没有特别含义，起占位符作用
HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。
2.3、对象的访问定位
主流的访问方式：
1）句柄
优点：reference存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时，只改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不用改变
2）直接指针（Sun HotSpot主要使用这种）
优点：速度快，节省了一次指针定位的时间开销
2.4实战：OutOfMemoryError异常
内存映像分析工具：内存泄露（Memory Leak） or 内存溢出（Memory Overflow）
使用eclipse memory analyzer工具
1、官网下载，解压缩后直接打开即可使用。
http://www.eclipse.org/downloads/download.php?file=/mat/1.8.1/rcp/MemoryAnalyzer-1.8.1.20180910-win32.win32.x86_64.zip
1）java堆溢出
package testJVM;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/**
* VM Args: -verbose:gc -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
* @author laibn
*
*/
public class HeapOOM {
static class OOMObject{
}
public static void main(String[] args) {
List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();
while(true){
list.add(new OOMObject());
}
}
}
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