Chapter 2 - Java 内存区域与内存溢出异常

Created by : Mr Dk.

2020 / 01 / 24 20:26 🧨🧧

Ningbo, Zhejiang, China

2.1 概述

在 JVM 的自动内存管理机制的帮助下，不再需要为每一个 new 操作分配对应的 delete/free 代码。

2.2 运行时数据区域

JVM 管理的内存被划分为不同区域。

2.2.1 程序计数器 (Program Counter Register)

当前线程所执行的字节码的行号指示器。各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，是线程私有的内存。

2.2.2 Java 虚拟机栈 (Java Virtual Machine Stack)

由线程私有，生命周期与线程相同，描述的是 Java 函数执行的线程内存模型。

  • 当一个 Java 函数被调用时，JVM 会创建栈帧存储局部变量表等信息
  • 调用完毕，栈帧出栈

局部变量表中存放编译期可知的数据：

  • JVM 基本数据类型
  • 对象引用 (指向对象起始地址的引用指针)
  • returnAddress 类型

这些数据在局部变量表中以 局部变量槽 (slot) 来表示，局部变量槽在编译期间完成分配 (栈帧中需要的局部变量大小是可以提前确定的)。

2.2.3 本地方法栈 (Native Method Stacks)

与虚拟机栈发挥的作用类似。

  • 虚拟机栈为执行 Java 函数 (字节码) 服务
  • 本地方法栈为虚拟机用到的本地函数服务 (意思是非 Java 函数)

2.2.4 Java 堆 (Java Heap)

Java Heap 是 JVM 所管理的内存中最大的一块，是 所有线程共享 的一块内存区域，作用是存放所有的对象实例。Java Heap 是垃圾收集器管理的内存区域，因此也被称为 GC Heap。所有线程共享的 Java Heap 上可以划分出各线程私有的 分配缓冲区 (Thread Local Allocation Buffer, TLAB)：

  • 提升对象分配时的效率
  • 将 Java Heap 细分的目的只是为了更好地回收内存，或更快地分配内存

Java Heap 在物理上可以是不连续的，但在逻辑上是连续的。Java Heap 可以被实现为是固定的，也可以是可扩展的。

2.2.5 方法区 (Method Area)

也是各个线程共享的内存区域，存储 JVM 加载的类型信息、常量、静态变量、JIT 编译器编译后的代码缓存。在实现上，不需要连续内存，大小可扩展，甚至还可以不实现垃圾收集。

2.2.6 运行时常量池 (Runtime Constant Pool)

是 方法区 的一部分。JVM 严格规定了 Class 文件每一部分的格式，其中。常量池表 (Constant Pool Table) 用于存放编译期生成的常量与符号引用。

2.2.7 直接内存

绕过 JVM 分配的内存，不位于 Java Heap 中，不属于运行时数据区。

2.3 HotSpot 虚拟机对象探秘

2.3.1 对象的创建

JVM 遇到 new 指令时，首先去检查指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析、初始化。如果没有，则需要执行类加载。接下来，为新生对象分配内存：

  • 将一块固定大小的内存从堆上划分出来
  • 类加载后，对象所需要的内存大小可以确定

另外，考虑到分配内存时的线程安全问题，解决方案有：

  1. 对分配内存空间进行同步：JVM 使用 CAS + 失败重试保证更新的原子性
  2. 为每个线程在 JVM 中划分私有区域 (TLAB)：只有本地缓冲用完，分配新的内存时才需要同步锁定

内存分配完毕后，JVM 将分配的内存空间初始化为 0，保证了对象的字段在 Java 代码中不需要初始化就能直接使用。JVM 对对象进行设置，将信息存放在对象的 Object Header 中，从 JVM 的视角来看，新的对象已经分配完成。但从 Java 代码的视角看，还需要执行对象的构造函数，这样才构造出了一个真正可用的对象。

2.3.2 对象的内存布局

对象在堆内存中的存储布局可以划分为三部分：

  • 对象头 (Header)
  • 实例数据 (Instant Data)
  • 对齐补充 (Padding)

对象头包含两部分信息：

  1. 存储对象自身的运行时数据 (Mark Word, 32-bit 或 64-bit)
    • HashCode
    • GC 年龄
    • 锁状态
    • 持有的锁等
  2. 类型指针，指向对象类型 metadata 的指针
    • JVM 通过这个类来确定该对象是哪个类的实例
    • 如果是数组，还额外需要记录数组的长度

实例数据部分存储了对象真正存储的有效信息，包括 Java 代码中定义的各种字段。HotSpot 虚拟机会有一个默认的字段分配顺序，使相同宽度的字段被存放到一起；满足这一条件的前提下，父类中定义的变量会出现在子类之前。由于 HotSpot 虚拟机的自动内存管理系统要求对象起始地址对齐 8B，由于对象头已被设计为固定长度，并对齐 8B，若实例数据不足 8B，将会被填充以对齐 8B。

2.3.3 对象的访问定位

Java 程序通过栈上的对象引用来操作堆上的具体对象。JVM 规范没有定义对象的具体访问方式，由 JVM 的实现决定：

  • 句柄访问
    • Java Heap 中划出一块内存作为句柄池
    • 对象引用存储的是句柄地址
    • 句柄中包含对象实例数据与类型数据各自的地址
  • 直接指针访问
    • 对象引用直接存储对象的地址

句柄访问的优势：在对象被移动 (GC 时很普遍) 时只会改变句柄中的实例数据地址，对象引用不会被修改。

直接指针访问的优势：

  • 速度更快，节省了一次指针定位的开销
  • HotSpot 使用这种方式进行对象访问