[深入理解JVM 四]---Jvm运行时内存分析

Jvm

jvm其实就是java的虚拟机，它将编译好的字节码文件翻译成机器能识别的机器语言，然后执行。主要包括类加载，执行（运行字节码指令），垃圾回收三个功能模块。下图描述了各个功能模块作用的内存区域。

直接内存

其中：直接内存（Direct Memory）并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。但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现，所以我们放到这里一起讲解。在JDK 1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆中的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，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。显然，本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是，既然是内存，肯定还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。服务器管理员在配置虚拟机参数时，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。

运行时内存区域分配

这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。还有就是会抛出什么异常

程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是JVM中一块较小的内存区域，保存着当前线程执行的虚拟机字节码指令的内存地址。Java多线程的实现，其实是通过线程间的轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何时刻，处理器都只会执行一个线程中的指令。在多线程场景下，为了保证线程切换回来后，还能恢复到原先状态，找到原先执行的指令，所以每个线程都会设立一个程序计数器，并且各个线程之间不会互相影响，程序计数器为”线程私有”的内存区域。

如果当前线程正在执行Java方法，则程序计数器保存的是虚拟机字节码的内存地址，如果正在执行的是Native方法（非Java方法，JVM底层有许多非Java编写的函数实现），计数器则为空。程序计数器是唯一一个在Java规范中没有规定任何OutOfMemory场景的区域

总结

1，程序计数器线程私有，每一个线程都会设立一个，且彼此之间互不影响。
2，程序计数器是唯一一个在Java规范中没有规定任何OutOfMemory场景的区域。
3，程序计数器只记录当前线程执行虚拟字节码指令，也就是java方法，native方法（本地方法栈中）不记录。

本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stack）和虚拟机栈的作用相似，它的生命周期与线程相同，也是线程隔离的。不过虚拟机栈是为Java方法服务的，而本地方法栈是为Native方法服务的。

异常抛出：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出*Error异常，如果虚拟机动态扩展时无法申请到足够的内催，就会抛出OutOfMemoryError异常

虚拟机栈

虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）和线程是紧密联系的，每创建一个线程时就会对应创建一个Java栈，它的生命周期与线程相同，所以Java栈也是”线程私有”的内存区域，这个栈中又会对应包含多个栈帧，每调用一个方法时就会往栈中创建并压入一个栈帧，栈帧是用来存储方法数据（局部变量）和部分过程结果的数据结构，每一个方法从调用到最终返回结果的过程，就对应一个栈帧从入栈到出栈的过程。

存放于栈中的内容

每个线程包含一个栈区,栈中的每一个栈帧只保存基础数据类型的对象和自定义对象的引用（局部变量表），操作数栈，动态链接，方法出口。

1 方法的形式参数，方法调用完后从栈空间回收
2 引用对象的地址，引用完后，栈空间地址立即被回收，堆空间等待GC

注意：每个栈中的数据(基础数据类型和对象引用)都是私有的，其他栈不能访问。

异常抛出：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出*Error异常，如果虚拟机动态扩展时无法申请到足够的内催，就会抛出OutOfMemoryError异常

堆

java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆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就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

注意以下几点
1，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。
2，在实现时，既可以实现成固定大小的，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）。

异常抛出
如果在堆中没有内存用来完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，在虚拟机启动时创建它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。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。

运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池（Constant Pool Table），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语言并不要求常量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，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern（）方法。

异常抛出：既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

对象

对象的创建

1，检查对应的类是否已加载完毕

虚拟机遇到一条new指令时，首先将去检查这个指令的参数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。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程

2，在堆中为对象分配内存

在类加载检查通过后，接下来虚拟机将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，为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来，主要有两种划分方式：
（1）指针碰撞（Bump the Pointer）：假设Java堆中内存是绝对规整的，所有用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为“指针碰撞”（Bump the Pointer）。
（2）空闲列表（Free List）：如果Java堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录。

Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。因此，在使用Serial、ParNew等带Compact过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，而使用CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器时，通常采用空闲列表。
本地线程分配缓冲（TLAB）解决并发情况下线程不安全问题
除如何划分可用空间之外，还有另外一个需要考虑的问题是对象创建在虚拟机中是非常
频繁的行为，即使是仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的，可能出现正在给对象A分配内存，指针还没来得及修改，对象B又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。解决这个问题有两种方案，一种是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；另一种是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，称为本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer,TLAB）。哪个线程要分配内存，就在哪个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB时，才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX：+/-UseTLAB参数来设定。

3，内存分配完成后，虚拟机还要进行两步操作

（1）虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），如果使用TLAB，这一工作过程也可以提前至TLAB分配时进行。这一步操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。
（2）虚拟机要对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头（Object Header）之中

对象的内存布局

对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）

对象头

HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息：

第一部分用于存储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。官方称它为“Mark Word”

第二部分是类型指针，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。

如果对象是一个Java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为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，但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。

实例数据

接下来的实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的，都需要记录起来

对齐填充

对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。由于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，换句话说，就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数（1倍或者2倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

对象的访问定位

使用句柄访问

如果使用句柄访问的话，那么Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地信息。

使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，reference本身不需要修改。

使用直接指针访问

使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本

内存溢出

除程序计数器外，虚拟机内存的其他几个运行时区域都有发生OutOfMemoryError（OOM）异常的可能

java堆溢出(heap space)

我们可以通过：将堆的最小值-Xms参数与最大值-Xmx参数设置堆内存大小

产生原因

创建的对象过多，且垃圾回收机制不能有效的清楚这些对象，就会产生溢出。

异常测试

为了测试，首先修改堆内存大小：限制Java堆的大小为20MB，不可扩展（将堆的最小值-Xms参数与最大值-Xmx参数设置为一样即可避免堆自动扩展），通过参数-XX：+HeapDumpOnOutOfMemoryError可以让虚拟机在出现内存溢出异常时Dump出当前的内存堆转储快照以便事后进行分析。在我的Myeclipse里这样设置。

测试代码如下，可以执行死循环添加，一定会导致堆溢出

package test;

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

/** * * @author 田茂林 * @data 2017年8月9日 下午5:10:40 * VM Args:-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError */
public class HeapOOM {
    static class OOMObject {

    }

    public static void main(String[] args) {
        List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();
        while (true) {
            list.add(new OOMObject());

        }
    }
}

异常信息：

java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid5756.hprof ...
Heap dump file created [27964652 bytes in 0.188 secs]
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3210)
    at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3181)
    at java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:261)
    at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:235)
    at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:227)
    at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:458)
    at test.HeapOOM.main(HeapOOM.java:23)

分析与解决

遇到这种情况首先考虑到底是出现了内存泄漏还是内存溢出
1，内存泄露，如果是内存泄露，可进一步通过工具查看泄露对象到GC Roots的引用链。于是就能找到泄露对象是通过怎样的路径与GC Roots相关联并导致垃圾收集器无法自动回收它们的。掌握了泄露对象的类型信息及GC Roots引用链的信息，就可以比较准确地定位出泄露代码的位置。
2，如果不存在泄露，换句话说，就是内存中的对象确实都还必须存活着，那可能是内存溢出。那就应当检查虚拟机的堆参数（-Xmx与-Xms），与机器物理内存对比看是否还可以调大，从代码上检查是否存在某些对象生命周期过长、持有状态时间过长的情况，尝试减少程序运行期的内存消耗。

内存泄露介绍

概念

所谓内存泄露就是指一个不再被程序使用的对象或变量一直被占据在内存中。

产生原因

长生命周期的对象持有短生命周期对象的引用就很可能发生内存泄露，尽管短生命周期对象已经不再需要，但是因为长生命周期对象持有它的引用而导致不能被回收。

通俗地说，就是程序员可能创建了一个对象，以后一直不再使用这个对象，这个对象却一直被引用，即这个对象无用但是却无法被垃圾回收器回收的，这就是java中可能出现内存泄露的情况

发生场景

1，缓存系统，我们加载了一个对象放在缓存中(例如放在一个全局map对象中)，然后一直不再使用它，这个对象一直被缓存引用，但却不再被使用。

2，如果一个外部类的实例对象的方法返回了一个内部类的实例对象，这个内部类对象被长期引用了，即使那个外部类实例对象不再被使用，但由于内部类持有外部类的实例对象，这个外部类对象将不会被垃圾回收，这也会造成内存泄露。

3，当一个对象被存储进HashSet集合中以后，就不能修改这个对象中的那些参与计算哈希值的字段了，否则，对象修改后的哈希值与最初存储进HashSet集合中时的哈希值就不同了，在这种情况下，即使在contains方法使用该对象的当前引用作为的参数去HashSet集合中检索对象，也将返回找不到对象的结果，这也会导致无法从HashSet集合中单独删除当前对象，造成内存泄露。

注意：由于Java 使用有向图的方式进行垃圾回收管理，可以消除引用循环的问题，例如有两个对象，相互引用，只要它们和根进程不可达的，那么GC也是可以回收它们的。例如对象A和对象B相互引用对方，GC照样可以回收

部分分隔符=======================TML

虚拟机栈和本地方法栈溢出

注意：我们可以通过-Xss参数设定虚拟机栈容量大小

产生原因：

1，如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，将抛出*Error异常。
2，如果虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常。

异常测试

1，在单个线程下（只有一个虚拟机栈），无论是由于栈帧太大（增加方法中本地变量表长度）还是虚拟机栈容量太小（通过-Xss减小虚拟机栈占用内存），当内存无法分配的时候，虚拟机抛出的都是*Error异常。并且结果抛出*Error异常时输出的堆栈深度相应缩小。

2，如果测试时不限于单线程，通过不断地建立线程的方式产生内存溢出异常

分析与解决

分析：虚拟机提供了参数来控制Java堆和方法区的这两部分内存的最大值。内存2GB（操作系统限制）减去Xmx（最大堆容量），减去MaxPermSize（最大方法区容量），程序计数器消耗内存很小，可以忽略掉。如果虚拟机进程本身耗费的内存不计算在内，剩下的内存就由虚拟机栈和本地方法栈“瓜分”了。每个线程分配到的栈容量越大，可以建立的线程数量自然就越少，建立线程时就越容易把剩下的内存耗尽。

解决：如果是建立过多线程导致的内存溢出，在不能减少线程数或者更换64位虚拟机的情况下，就只能通过减少最大堆和减少栈容量来换取更多的线程

方法区溢出

我们可以通过-XX：PermSize和-XX：MaxPermSize限制方法区大小

产生原因

运行时产生大量的类去填满方法区，直到溢出。

异常测试（PermGen space）

1，大量JSP或动态产生JSP文件的应用（JSP第一次运行时需要编译为Java类）
2，基于OSGi的应用（即使是同一个类文件，被不同的加载器加载也会视为不同的类）
3，当前的很多主流框架，如Spring、Hibernate，在对类进行增强时，都会使用到CGLib这类字节码技术，增强的类越多，就需要越大的方法区来保证动态生成的Class可以加载入内存
4，动态语言的使用和反射机制或者动态代理

分析与解决

就我个人看来，方法区一般不会发生溢出，一般我们做的项目或者写的代码所能加载到的类其实远远小于方法区所能容纳的量。

本机直接内存溢出

DirectMemory容量可通过-XX：MaxDirectMemorySize指定，如果不指定，则默认与Java堆最大值（-Xmx指定）一样。直接内存溢出发生情况较少，一般使用NIO的时候可能发生。

一直对于jvm不甚了解，所以买了一本《深入理解java虚拟机》，这篇博文意在对jvm进行内存分析和在内存溢出的时候了解问题所在，文中的配图来自《深入理解java虚拟机》。在了解了运行时内存大致如何分配后，我想应该了解一下类加载机制，这样在类加载到jvm中，然后执行引擎，最后垃圾回收（垃圾回收也可能在过程中）。就有了一套完整 解释。