第 2 章:Java 内存区域与内存溢出异常

本文最后更新于:7 天前

因为 Java 程序员把控制内存的权力交给了 Java 虚拟机,一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题,如果不了解虚拟机是怎样使用内存的,那排查错误、修正问题将会成为一项异常艰难的工作。

运行时数据区,包括:

  • 程序计数器:
    • 线程私有的内存。
      Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的。为了线程切换后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
    • 可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。执行 Java 方法时记录的是虚拟机字节码指令的地址,执行本地方法时值为空。
  • Java 虚拟机栈:
    • 线程私有的内存。
    • 描述的是 Java 方法执行的线程内存模型:每个方法被执行的时候,Java 虚拟机都会同步创建一个栈帧,每一个方法被调用直至执行完毕的过程,就对应着一个栈帧虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
      “堆”和“栈”中的“栈”指的就是虚拟机栈,特指虚拟机栈中的局部变量表(也叫本地变量表)。
  • 本地方法栈:
    • 线程私有的内存。
    • 虚拟机栈的作用类似,区别是为本地方法服务。
  • Java 堆:
    • 线程共享的内存。
    • 在虚拟机启动时创建。
    • 唯一目的就是存放对象实例。
    • Java 堆是垃圾收集器管理的内存区域。
  • 方法区:
    • 线程共享的内存。
    • 用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。别名叫做“非堆”。
    • 方法区回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。
    • 虚拟机可以不实现对方法区的垃圾收集,但是这部分区域的回收有时又确实是必要的。
    • 方法区不是“永久代”,仅仅是当时的 HotSpot 虚拟机把收集器的分代设计扩展至方法区,或者说使用永久代来实现方法区而已,这样使得 HotSpot 的垃圾收集器能够像管理 Java 堆一样管理这部分内存。这种设计更容易遇到内存溢出的问题。

局部变量表:存放了编译期可知的各种数据类型。

  • Java 虚拟机基本数据类型。
  • reference 类型对象引用,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者其他与此对象相关的位置
  • returnAddress 类型指向了一条字节码指令的地址

局部变量槽Slot:这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽来表示。

  • 局部变量槽的数量在编译期确定。
  • 虚拟机真正使用多大的内存空间来实现一个变量槽是完全由具体的虚拟机实现自行决定的事情。

运行时常量池:

  • 方法区的一部分。
  • Class 文件中的常量池表,用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用,这部分内容将在类加载后存放到运行时常量池中。
  • 具备动态性:Java 语言不要求常量一定只有编译期才能产生,运行期间也可以将新的常量放入池中。

直接内存:

  • 内存分配不受 Java 堆大小的限制。由 NIO 实现。
  • 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,但是也可能导致 OOM 异常。

NIO:一种基于通道与缓冲区的 I/O 方式,使用 Native 函数库直接分配堆外内存,然后通过一个存储在 Java 堆里面的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作,避免了在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据。

对象的创建限于普通 Java 对象,不包括数组和 Class 对象

  1. 当 Java 虚拟机遇到一条字节码 new 指令时,首先将去检查这个指令的参数是否能在运行时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. 然后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实际上便等同于把一块确定大小的内存块从 Java 堆中划分出来。选择哪种分配方式由 Java 堆是否规整决定,而 Java 堆是否规整由所采用的垃圾收集器是否带有空间压缩整理的能力决定。
    • 指针碰撞:假设 Java 堆中内存是绝对规整的,所有被使用过的内存都被放在一边,空闲的内存被放在另一边,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方向挪动一段与对象大小相等的距离。
    • 空闲列表:如果内存不是规整的,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。
  3. 内存分配完成之后,虚拟机必须将分配到的内存空间都初始化为零值,这部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。
  4. new 指令之后会接着执行 init 方法,按照程序员的意愿对对象进行初始化,这样一个真正可用的对象才算完全被构造出来。

对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为,即使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可选方案:

  • 一种是对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机是采用 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,只有本地缓冲用完了,分配新的缓冲区时才需要同步锁定。

对象的内存布局:在 HotSpot 虚拟机里,对象在堆内存中的存储布局可以划分为对象头对象实例数据对齐填充

  • 对象头包括两类信息:
    • 第一类是用于存储对象自身的运行时数据,数据长度在32位、64位的虚拟机中分别是32比特、64比特。
    • 第二类是对象类型数据的指针,Java 虚拟机通过这个指针来确定该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对象类型数据的指针
    • 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。
  • 对象实例数据是对象真正存储的有效信息,即我们在程序代码里面所定义的各种类型的字段内容。
    HotSpot 虚拟机默认的存储顺序是相同宽度的字段被分配到一起存放,其次父类中定义的变量会出现在子类之前。

对象的访问定位:对象的访问方式由虚拟机实现,主流的访问方式主要有使用句柄和直接指针。

  • 句柄访问:Java 堆中划分中一块内存来作为句柄池,reference 中存储的就是对象的句柄地址,句柄中包含了对象实例数据的指针对象类型数据的指针
    好处是在对象被移动时只会改变 Java 堆的句柄中的对象实例数据的指针,不改变 Java 虚拟机栈本地变量表中的 reference
  • 直接指针访问:reference 中存储的就是对象地址,并通过某种内存布局在对象头保存着对象类型数据的指针
    好处是节省了一次指针定位的时间开销。

HotSpot 主要使用第二种方式进行对象访问。


第 2 章:Java 内存区域与内存溢出异常
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作者
魏超
发布于
2022年11月21日
更新于
2022年11月24日
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