《JAVA虛拟機》讀書筆記之Java記憶體區域與記憶體溢出異常

1. 概述

在虛拟機自動記憶體管理機制的幫助下，不再需要為每一個new操作去寫配對的delete/free代碼，不容易出現記憶體洩漏和記憶體溢出問題。不過，也正是因為Java程式員把記憶體控制的權力交給了Java虛拟機，一旦出現記憶體洩漏和溢出方面的問題，如果不了解虛拟機是怎樣使用記憶體的，那麼排查錯誤将會成為一項異常艱難的工作

2. 運作時資料區域

Java虛拟機在執行Java程式的過程中會把它所管理的記憶體劃分為若幹個不同的資料區域。這些區域都有各自的用途，以及建立和銷毀的時間，有的區域随着虛拟機程序的啟動而存在，有些區域則依賴使用者線程的啟動和結束而建立和銷毀。

2.1 幾個基礎概念

• 程式計數器

  程式計數器是一塊較小的記憶體空間，它可以看作是目前線程所執行的位元組碼的行号訓示器。在虛拟機的概念模型裡，位元組碼解釋器工作時就是通過改變這個計數器的值來選取下一條需要執行的位元組碼指令，分支、循環、跳轉、異常處理、線程恢複等基礎功能都需要依賴這個計數器來完成

  由于Java虛拟機的多線程是通過線程輪流切換并配置設定處理器執行時間的方式來實作的，在任何一個确定的時刻，一個處理器（對于多核處理器來說是一個核心）都隻會執行一條線程中的指令。是以，為了線程切換後能恢複到正确的執行位置，每條線程都需要有一個獨立的程式計數器，各條線程之間計數器互不影響，獨立存儲，我們稱這類記憶體區域為“線程私有”的記憶體

  此記憶體區域是唯一一個在Java虛拟機規範中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域

• Java虛拟機棧

  與程式計數器一樣，Java虛拟機棧也是線程私有的，它的生命周期與線程相同。虛拟機棧描述的是Java方法執行的記憶體模型：每個方法在執行的同時都會建立一個棧幀用于存儲局部變量表、操作數棧、動态連結、方法出口等資訊。每一個方法從調用直至執行完成的過程，就對應着一個棧幀在虛拟機棧中入棧到出棧的過程。

  在Java虛拟機規範中，對這個區域規定了兩種異常狀況：如果線程請求的棧深度大于虛拟機所允許的深度，将抛出StackOverflowError異常；如果虛拟機棧可以動态擴充（目前大部分的Java虛拟機都可動态擴充，隻不過Java虛拟機規範中也允許固定長度的虛拟機棧），如果擴充時無法申請到足夠的記憶體，就會抛出OutOfMemoryError異常。

• 局部變量表

  局部變量表存放了編譯期可知的各種基本資料類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對象引用（reference類型，它不等同于對象本身，可能是一個指向對象起始位址的引用指針，也可能是指向一個代表對象的句柄或其他與此對象相關的位置）和returnAddress類型（指向了一條位元組碼指令的位址）。其中64位長度的long和double類型的資料會占用2個局部變量空間（Slot），其餘的資料類型隻占用1個。局部變量表所需的記憶體空間在編譯期間完成配置設定，當進入一個方法時，這個方法需要在幀中配置設定多大的局部變量空間是完全确定的，在方法運作期間不會改變局部變量表的大小

• 本地方法棧

  本地方法棧與虛拟機棧所發揮的作用是非常相似的，它們之間的差別不過是虛拟機棧為虛拟機執行Java方法（也就是位元組碼）服務，而本地方法棧則為虛拟機使用到的Native方法服務

• Java堆

  對于大多數應用來說，Java堆（Java Heap）是Java虛拟機所管理的記憶體中最大的一塊。Java堆是被所有線程共享的一塊記憶體區域，在虛拟機啟動時建立。此記憶體區域的唯一目的就是存放對象執行個體，幾乎所有的對象執行個體都在這裡配置設定記憶體。如果在堆中沒有記憶體完成執行個體配置設定，并且堆也無法再擴充時，将會抛出OutOfMemoryError異常。

• 方法區

  方法區與Java堆一樣，是各個線程共享的記憶體區域，它用于存儲已被虛拟機加載的類資訊、常量、靜态變量、即時編譯器編譯後的代碼等資料。

• 運作時常量池

  運作時常量池是方法區的一部分。Class檔案中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述資訊外，還有一項資訊是常量池，用于存放編譯期生成的各種字面量和符号引用，這部分内容将在類加載後進入方法區的運作時常量池中存放。

• 直接記憶體

  直接記憶體（Direct Memory）并不是虛拟機運作時資料區的一部分，也不是Java虛拟機規範中定義的記憶體區域。但是這部分記憶體也被頻繁地使用，而且也可能導緻OutOfMemoryError異常出現。

2.2 虛拟機對象

• 對象的建立

  在語言層面上，建立對象（例如克隆、反序列化）通常僅僅是一個new關鍵字而已，而在虛拟機中，對象（文中讨論的對象限于普通Java對象，不包括數組和Class對象等）的建立又是怎樣一個過程呢？

  虛拟機遇到一條new指令時，首先将去檢查這個指令的參數是否能在常量池中定位到一個類的符号引用，并且檢查這個符号引用代表的類是否已被加載、解析和初始化過。如果沒有，那必須先執行相應的類加載過程，在類加載檢查通過後，接下來虛拟機将為新生對象配置設定記憶體。對象所需記憶體的大小在類加載完成後便可完全确定，為對象配置設定空間的任務等同于把一塊确定大小的記憶體從Java堆中劃分出來。

• 對象的記憶體布局

  在HotSpot虛拟機中，對象在記憶體中存儲的布局可以分為3塊區域：對象頭（Header）、執行個體資料（Instance Data）和對齊填充（Padding）

  HotSpot虛拟機的對象頭包括兩部分資訊，第一部分用于存儲對象自身的運作時資料，如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀态标志、線程持有的鎖、偏向線程ID、偏向時間戳等。對象頭的另外一部分是類型指針，即對象指向它的類中繼資料的指針，虛拟機通過這個指針來确定這個對象是哪個類的執行個體。

• 對象的通路定位

  建立對象是為了使用對象，我們的Java程式需要通過棧上的reference資料來操作堆上的具體對象。由于reference類型在Java虛拟機規範中隻規定了一個指向對象的引用，并沒有定義這個引用應該通過何種方式去定位、通路堆中的對象的具體位置，是以對象通路方式也是取決于虛拟機實作而定的。目前主流的通路方式有使用句柄和直接指針兩種。

3 實戰：OutOfMemoryError異常