2.1概述：

　　java將記憶體的管理(主要是回收工作)，交由jvm管理，確實很省事，但是一點jvm因記憶體出現問題，排查起來將會很困難，為了能夠成為獨當一面的大牛呢，自然要了解vm是怎麼去使用記憶體的。

2.2執行時的資料區域

　　vm會將管理的記憶體劃分為不同的區域，不同的區域間有各自的用途，以及建立和銷燬時間。具體的區域劃分如下圖：

　　注：執行引擎跟本地庫介面不是記憶體資料區，方法區跟堆記憶體才是共享的記憶體資料區

2.2.1程式計數器

　　是一塊較小的記憶體地址，可以認為是當前執行緒所執行的位元組碼的行號指示器。在概念模式中(不同的虛擬機器可以選擇自己的實現方式)，位元組碼直譯器工作時，通過改變這個計數器的值來選擇下一條執行的位元組碼命令。分支、迴圈、跳轉、異常處理、執行緒恢復等基礎功能都是依賴這個計數器完成的。

　　在JVM中多執行緒是通過執行緒輪流切換並分配處理器執行時間實現的，即在同一個時刻，一個處理器只會執行一個執行緒的命令，所以為了執行緒切換能夠回到正確的執行位置，每條執行緒都要有獨立的計數器。

　　補充：

　　如果執行緒執行的是java方法，那麼計數器記錄的是位元組碼指令的地址，如果是Native方法，計數器則為空(Undefined)，該區域在jvm規範中也沒有OOM。

2.2.2java虛擬機器棧

　　是執行緒私有的，生命週期與執行緒相同。

　　虛擬機器棧描述的是方法執行的記憶體模型，方法在執行的時候會建立棧幀(Stack Frame)，用於儲存區域性變量表，運算元棧、動態連結、方法出口等資訊。方法從呼叫到執行完成，對應一個棧幀從入棧到出棧的過程。

　　區域性變量表中存放的是：編譯期可知的各種基本資料型別（八個基本資料型別），物件引用（可能是指向物件地址的引用指標，也可能是執行代表物件的控制代碼）和returnAddress型別(指向了一條位元組碼指令的地址)。

　　long與double會佔據兩個區域性變數空間(slot)，其他佔據一個，區域性變量表所需記憶體大小編譯期間就已經完成分配， 方法執行期間不會改變區域性變量表的大小。

　　jvm規範中，對棧規定了兩個異常狀態，執行緒請求的棧深度大於虛擬機器所允許的深度會丟擲StackOverflowError異常。

　　虛擬機器棧可以動態擴充套件來避免棧溢位，但是當擴充套件無法申請到足夠的記憶體時，就會丟擲OutofMemoryError異常。

2.2.3本地方法棧

　　功能作用與虛擬機器棧是非常一致的，區別就在於：java虛擬機器棧為執行java方法服務，本地方法棧為虛擬機器使用的Native方法服務。虛擬機器規範並沒有對本地方法棧做硬性要求。

　　HotSpot直接把本地方法棧跟虛擬機器棧合二為一，本地方法棧也會丟擲兩個異常。棧溢位與記憶體溢位。

2.2.4java堆

　　java堆（java Heap）記憶體是vm管理的最大的記憶體。

　　java堆被所有執行緒共享的記憶體區域。該記憶體區域存在的目的是存放物件例項。

　　規範中：所有的物件例項以及陣列都是要求在堆上進行分配，但是隨著JIT編譯器的發展與逃逸分析技術，出現了棧上分配和標量替換，這會導致有一些微妙的變化。

　　java堆是垃圾收集器的主要管理區域，也成為GC堆(Garbage Collected Heap)，收集器都選擇分代收集演算法。

　　java堆可以細分為：新生代和老年代：再細緻點有Eden空間、From Survivor空間、 To Survivor空間等。

　　從記憶體分配的角度看，java堆內是可以劃分出多個執行緒私有的分配緩衝區的（Thread Local Allocation Buffer TLAB）。

　　劃分的詳細的目的在於方便更好地回收記憶體。

　　補充：java堆可以不處於物理上的連續記憶體，只要邏輯上連續就可以了，當堆無法繼續擴充套件時，也會丟擲OutOfMemoryError。

2.2.5方法區：

　　方法區(Method Area)跟java堆一樣，是執行緒共享的記憶體區域，用於儲存VM載入的類資訊，常量，靜態變數，即時編譯器編譯後的程式碼等，還有一個別名(Non-Heap)非堆

　　對於HotSpot來說，方法區也可稱為永久代(Permanent Generation)，本質上兩者並不等價，僅僅是因為HotSpot虛擬機器把分帶收集器擴充套件到了方法區（用永久代來實現方法區）。

　　用永久代實現方法區會容易導致記憶體溢位問題（永久代有-XX:MaxPermSize的上限）。在jdk1.7中，已經把原來放在永久代的字串常量池移出永久代了。

　　ＶＭ規範對於方法區來說，也可以不選擇連續的實體記憶體，還可以選擇固定大小或者可擴充套件，甚至你還可以選擇不實現垃圾回收。

　　針對方法區的回收主要是針對常量池的回收和對型別的解除安裝，當方法區無法滿足記憶體分配的時候，就會出現OutOfMemoryError異常。

2.2.6執行時常量池

　　執行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區的一部分。

　　class檔案除了有類的版本、欄位、方法、介面等描述資訊外，還有一項資訊是常量池(Constant Pool Table)，用於存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分內容將在類載入後進入方法區的執行時常量池中。

　　VM規範沒有對執行時常量池的細節規範，一般情況下除了class的符號引用外，還會把直接引用也存在執行時常量池。

　　執行時常量池相對於Class檔案的常量池另一個重要特徵是動態性，執行期間也可以放入新的常量進入常量池。比較多的用法是String類的intern()。

　　作為方法區的一部分，當然也會OutofMemoryError異常

2.2.7直接記憶體

　　直接記憶體（Direct Memory）並不是VM執行時資料區的一部分，也不是VM規範中定義的記憶體區域，但是如果該區域被頻繁使用，也會導致OutOfMemoryError異常。

　　NIO，引入了基於通道(Channel)與緩衝區(Buffer)的I/O方式，可以直接使用Native函式分配堆外記憶體，然後通過在堆中的DirectByteBuffer物件作為該記憶體的引用進行操作。

　　雖然該記憶體不受堆的限制，但是也可能受實體記憶體的限制，所以也可能因為設定的引數問題，導致動態擴充套件時出現OutOfMemoryError異常。

簡單總結：講了各個記憶體區域的一些實現細節跟部分VM規範，除了程式計數器外其他所有的記憶體區域都存在記憶體溢位異常，甚至於非jvm的記憶體區域直接記憶體，也有可能出現記憶體溢位異常。

2.3HotSpot虛擬機器的物件探祕

 2.3.1物件的建立

　　建立物件是通過關鍵字new來建立的。

　　虛擬機器收到new命令時，會去常量池中檢查是否有對應引數的類的符號引用，並檢查這個符號引用是否已經被載入、解析和初始化過，如果沒有的話，那麼要先進行類載入。

　　類載入的檢查完成後，就要對新生物件進行記憶體分配了，分配方式有兩種，根據堆記憶體是否規整可以分為兩類：指標碰撞(Bump the Pointer)、空閒列表(Free List)

　　指標碰撞：堆記憶體規整，分配記憶體的過程僅僅是將指標向空閒空間挪動一段與物件大小一致的距離。

　　空閒列表：如果記憶體不規整，那麼已使用的記憶體與空閒記憶體互動，虛擬機器會維護一個記錄表，記錄記憶體是否可用，在分配時從列表中找足夠記憶體劃分給例項，更新記錄表。

　　堆是否規整又跟垃圾收集器有關，使用Serial、ParNew等帶Compact過程的收集器時，採用指標碰撞；使用CMS這種基於Mark-Sweep演算法的收集器時，採用空閒列表的方式。

　　除了分配記憶體外，還需要考慮在併發下的安全問題，虛擬機器採用了CAS配上失敗重試的方式保證更新操作的原子性；另一種方式是把記憶體分配的動作按照執行緒劃分在不同的空間中，即每個執行緒在java堆中預先分配一個記憶體，稱為本地執行緒分配緩衝(Thread Local Allocation Buffer，TLAB），哪個執行緒需要分配記憶體，就在哪個執行緒的TLAB分配，只有TLAB用完需要進行新增時，才進行同步鎖定操作。虛擬機器是否使用TLAB，可以通過配置：-XX:+/-UseTLAB引數來設定。

　　記憶體分配完成，VM還需要將分配的記憶體空間都初始化為零值(物件頭除外)，如果使用TLAB的話，那麼該過程也會提前至TLAB時進行，這一步操作保證了物件例項欄位在java程式碼中可以不賦初始值就直接使用，程式可以直接訪問到這些欄位資料型別的對應值。

　　完成初始化工作後，VM要設定物件的物件頭，相關資訊：物件是哪個類的例項，如何找到類的元資料資訊，物件的雜湊值，物件的GC分帶年齡等資訊。

　　完成以上步驟後，VM的視角，新的物件已經產生了。但是java程式碼角度，物件建立才剛開始，<init>方法沒有執行，所有欄位都還是0，執行完new指令後執行<init>方法後才算物件建立完畢。

　　簡單描述一下VM視角與程式視角下物件的建立流程：

　　　　VM  ->  類是否初始化　　記憶體分配　　記憶體空間初始化　　物件頭賦值

　　　　java程式  ->  類是否初始化　　記憶體分配　　記憶體空間初始化　　物件頭賦值　　<init>方法

2.3.2物件的記憶體佈局

　　物件在記憶體中的佈局分為三個區域：物件頭(Header)、例項資料(Instance Data)和對齊填充(Padding)

　　HotSpot的物件頭包含兩部分資訊，第一部分：儲存物件自身的執行時資料、第二部分型別指標。

　　儲存執行時資料有：雜湊嗎，GC分代年齡、鎖狀態標誌、執行緒持有的鎖、偏向執行緒ID、偏向時間戳等，根據虛擬機器位數不同分別為32/64bit，稱為Mark Word，實際上是一個可動態的資料結構，以便以小空間儲存更多的資訊。

　　型別指標：即物件指向它的類元資料的指標，VM通過指標確定物件屬於哪個類。

　　注：如果物件是一個數組，那麼物件頭中還必須有一塊用於記錄陣列長度的資料。

　　例項資料：物件真正儲存的有效資訊。

　　父類定義在前，子類災後，儲存的順序還受VM分配策略引數(FieldsAllocationStyle)和java原始碼中定義順序影響。

　　HotSpot的順序是：從長到短，且欄位相同的放在一起。

　　第三部分對齊填充不是必然存在的，僅僅是佔位符的作用。由於HotSpot的VM自動記憶體管理系統要求物件起始地址必須是8位元組的整數倍，那麼物件就必須是8位元組的整數倍了，因為物件頭部分是8位元組的倍數，所有當例項資料沒有對齊時，對齊填充就用來補齊。

2.3.3物件的訪問定位

　　虛擬機器規範只規定了一個指向物件的引用，但是沒有規定具體的方式。所以還是根據虛擬機器的具體實現來表述對物件的訪問。常規的是兩種控制代碼式與直接指標式：

　　如果是採取：控制代碼訪問的話，那麼java堆會劃分出一塊記憶體來作為控制代碼池，reference中儲存的就是物件的控制代碼地址，而控制代碼中包含了例項資料地址跟資料型別地址

　　如果採用直接指標訪問，那麼java堆物件的佈局就必須考慮如何放置訪問型別資料的相關資訊，reference中儲存的是物件地址。

兩種物件的訪問方式各有優劣，控制代碼的好處時，reference中儲存的是穩定的控制代碼地址，物件被移動時，只改變控制代碼中的例項資料指標，而reference不改變。

　　直接指標訪問最大的好處是速度快，節省了一次指標定位的時間開銷。

 　　HotSpot採用的就是直接指標訪問的方式。

2.4實戰OOM異常

 　　本節的目的：1、通過程式碼驗證java虛擬機器規範中描述的各個執行時區域儲存的內容。

　　　　　　　　2、幫助判斷實際工作中是什麼問題導致哪些區域記憶體溢位，什麼原因導致該區域記憶體溢位，出現問題該怎麼辦。

　　使用如下jvm引數：

-verbose:gc -Xms20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8

2.4.1java堆溢位

　　堆中存放物件例項，只要不停創造物件，且保證GC Roots到物件之間有可達路徑來避免垃圾回收機制清楚物件（將在垃圾回收機制處講），那麼物件達到閾值後自然會產生記憶體溢位。

　　使用引數：-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError可讓虛擬機器在出現記憶體溢位時Dump當前的記憶體堆轉儲快照，便於事後分析。

示例程式碼：

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

    }
}

　　解決這個區域的異常，一般通過記憶體映像分析工具，對Dump出來的堆轉儲快照進行分析，重點是確認記憶體中的物件是否是必要的，也就是確認是記憶體洩漏(Memory Leak)還是記憶體溢位(Memory Overflow)。

　　注：上面這句也簡潔直觀地表達了記憶體洩漏與記憶體溢位的區別。

　　記憶體洩漏：可以通過工具看洩漏物件到GC Roots的引用鏈，可以找到洩漏物件時通過怎樣的路徑與GC Roots相關聯並導致垃圾回收器無法自動回收它們。只要掌握了洩漏物件的型別資訊及GC Roots引用連的資訊，就可以準確地定位出洩漏程式碼的位置。

　　記憶體溢位：如果物件都必須存活，那麼虛擬機器的堆引數(-Xmx與-Xms)與機器實體記憶體對比看是否能夠調大；從程式碼角度看，是否有物件的生命週期過長、持有狀態時間過長，以期減少程式執行期間記憶體的消耗。

2.4.2虛擬機器棧以及本地方法棧溢位

　　HotSpot中不區分虛擬機器棧與本地方法棧，所有-Xoss實際無效，只設置-xss即可。

　　對於虛擬機器棧和本地方法棧來說，會出現兩種異常：

　　　　執行緒請求的棧深度大於虛擬機器所允許的最大深度，即丟擲：StackOverflowError。

　　　　虛擬機器擴充套件棧時，無法申請到足夠的記憶體空間，即丟擲：OutOfMemoryError

　　其實，當棧空間無法繼續分配時，到底是記憶體太小，還是已用棧空間太大，本質都是同一件事情的兩種描述。

　　註明：在單執行緒條件下，無論是棧幀過大還是虛擬機器容量太小，都會丟擲異常StackOverflowError。

　　在多執行緒條件下，通過不斷建立執行緒的方式是會產生記憶體溢位的，但是產生記憶體溢位與棧空間是否足夠大無關，在這種情況下，為每個執行緒分配的記憶體越大，越容易棧溢位（總量一定，單次消耗越大，越容易滿）。

2.4.3方法區和執行時常量池溢位

　　String.intern()是一個Native方法，它的作用是：如果字串常量池中已經包含了一個等價次string物件的字串，返回常量池中的該物件，否則將string物件包含的字串新增到常量池中，返回此string物件的引用。