第二章 Java内存区域与内存溢出异常
2.2 运行时数据区域
2.2.1 程序计数器
一块较小的内存区域，看成是当前线程执行的字节码的行号指示器。
字节码指示器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一跳需要执行的字节码指令。（如 分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复）
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。一个处理器（对于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，为了线程切换后还能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。
线程正在执行一个Java方法，计数器记录正在执行的虚拟机字节码指令的地址；线程正在执行一个Native方法，计数器值为空（Undefined）。这是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。
2.2.2 Java虚拟机栈
Java虚拟机栈是线程私有的；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：
每个方法在执行的同时时都会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
每一个方法从调用直至完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
经常有人把内存区分成堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种分发比较粗糙。这里所指的栈内存就是现在所讲的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中的局部变量表部分。
局部变量表存放了编译器可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（referance类型，它不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了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），其余的数据类型只占用1个。局部变量表所需的内存空间在编译器完成分配，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状况：
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；
如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的Java虚拟机都可以动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。
2.2.3 本地方法栈
本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，他们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。
2.2.4 Java堆
对于大部分应用来说，Java堆（Java Heap）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以及数组都要在堆上分配。
Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此Java堆很多时候也被称为“GC堆”。
内存回收角度，收集器基本都采用分代收集算法，Java堆中可以细分为：新生代和老年代；在细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。
内存分配角度，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区。
根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上连续就可以了。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）。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且在堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。
2.2.5 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，他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得一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆）目的是与Java堆区分开来。
根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。
2.2.6 运行时常量池
运行时常量池（Runtime Constants 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（Constants Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。
Java虚拟机对Class文件每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格规定，每一个字节用于存储哪种数据必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、装载和执行。但对于运行时常量池，Java虚拟机规范并没有任何细节上的要求，不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需求来实现这个内存区域。一般来说，除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。
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要在编译器才能产生，运行期间也可能将新的常量放入池，这种特性被开发人员利用的比较多的便是String类的intern()方法。
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。
2.2.7 直接内存
直接内存并不是虚拟机运行时数据去的一部分，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。
本机直接内存不会受到Java堆内存的限制，当时会受到本机总内存的限制。服务器管理员在配置虚拟机内存参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常忽略直接内存，导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。
2.3 Hotspot虚拟机对象探秘
2.3.1 对象的创建
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够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。
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。对象所需的内存大小在类加载完成之后便可以完全确定（如何确定将在2.3.2节中介绍），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。
假设Java堆中的内存是绝对规整的，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，那所分配内存就是把那个指针向着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。
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，虚拟机就需要维护一张足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录，这种分配方式称为“空闲列表”（Free List）。
在并发情况下，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——实际上是虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更能新操作的原子性；
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存（TLAB）。那个线程要分配内存，站在哪个线程的TLAB上分配时，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。
内存分配完成后，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代码中可以不赋值就直接使用，程序能访问到这些字段数据类型所对应的零值。
接下来，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。这些信息放在对象的对象头（Object header）之中。
2.3.2 对象的内存布局
在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3个区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对其填充（Padding）。
HotSpot虚拟机的对象头包括来哪个部分信息，第一部分用于存储对象自身的运行时数据，如哈希吗（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，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机中分别为32bit和64bit。
对象头的另外一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针。另外，如果一个对象是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。
2.3.3 对象的访问定位
建立对象是为了使用对象。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。
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址信息。
使用直接指针访问，那么Java堆对象的布局来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。
2.4 实战： OutOfMemoryError异常
2.4.1 Java堆溢出
Java堆用于存储对象实例，只要不断地创建对象，并且保证GC Roots到对象之间有可达路径来避免垃圾回收机制清除这些对象，那么在对象数量到达最大堆的容量限制后就会产生内存溢出异常。
要解决这个区域的异常，一般的手段是先通过内存映像分析工具（如Eclipse Memory Analyzer）对Dump出来的堆转储快照进行分析，重点是确认内存中的对象是否是必须的，也就是要先分清楚到底是出现了内存泄露（Memory Analyzer）还是内存溢出（Memory Overflow）
2.4.2 虚拟机栈和本地方法栈溢出（没看懂）
-Xoss参数（设置本地方法栈）存在，栈容量只由-Xss参数设定。
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。
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。
2.4.3 方法区和运行时常量池溢出（没看懂）
-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法区大小，从而间接限制其中常量池的容量。
2.4.4 本机直接内存溢出（没看懂）
DirecMemory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。
由DirectMemory导致的内存溢出，一个明显的特征在Heap Dump文件中不会看见明显的异常，如果读者发现OOM之后Dump文件很小，而程序中又直接或间接使用了NIO，那就可以考虑检查一下是不是这方面的原因。