【深入理解java虚拟机】第2章 Java内存区域与内存溢出异常
概述
Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把所管理的内存划分为若干不同的数据区域。这些区域有各自的用途，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，有的区域则以来用户线程的启动和结束而建立和销毁。
一 Java虚拟机运行时数据区域：
线程私有的：
程序计数器、本地方法栈和虚拟机栈 是线程私有的，比如每个线程都需要有一个单独的程序计数器，各个线程之间 计数器互不影响，独立存储；Java虚拟机栈的生命周期与线程相同。
①程序计数器：
是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型中，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。
如果线程正在执行一个java方法，则该计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是native方法，则这个计数器值为空（undefined）。此区域是唯一一个在java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。
②虚拟机栈：
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会创建一个栈帧（stack frame），用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息。每个方法从调用到直至执行完成的过程，对应着一个栈帧在虚拟机栈汇总入栈到出栈的过程。
局部变量表存放了编译器可知的各种基本数据类型，对象引用和returnAddress类型。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，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确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。
虚拟机栈的两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度，则抛出StackOverflowError异常了如果虚拟机栈可以动态扩展，扩展时又无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。
③本次方法栈
与虚拟机栈发挥的作用类似，区别在于：虚拟机栈为虚拟机执行的java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈为虚拟机使用的Native方法服务。也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常
线程共享的：
①java堆
存放对象实例；所有的对象实例以及数组都要在堆上分配（不是那么绝对其实）
java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此有时也被叫做“GC堆”
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。如果对中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展，将会抛出OutOfMemoryError异常；
从内存回收角度看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所有java堆还可以细分为新生代和老年代，再细分为：Eden空间，From Survivor空间，To Survivor空间；从内存分配的角度看，线程共享的java堆可能划分为多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer, TLAB）
②方法区：
用于存放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
HotSpot虚拟机中把方法区称为“永久代”；但是由于使用永久代实现方法区容易遇到内存溢出的问题，且极少数方法会因为这个原因在不同虚拟机下有不同表现，所以hotspot官方也有放弃永久代逐渐改为用native memory来实现方法区的规划。在JDK 1.7的Hotspot中已经把原本放在永久代的字符串常量池移出。
这部分的内存回收目标主要针对常量池的回收和对类型的卸载；当方法区无法满足内存分配需求时将抛出OOM异常
运行时常量池是方法区的一部分；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，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引言，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池存放；
二 HotSpot虚拟机对象揭秘
1 对象的创建
step1: 虚拟机在遇到一条new指令时，首先将检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个符号引用并且检查这个符号引用代表的类是否已经被加载，解析和初始化过，如果没有则必须先执行相应的类加载过程，如果检查通过，则进入第二步，即为新生对象分配内存；
step2: 类加载检查通过后，虚拟机将为新生对象分配内存。把一块确定大小的内存从java堆中划分出来。
分配方式分为指针碰撞（Bump the Pointer）和空闲列表（Free List），选择哪一种方式由java堆是否规整决定，而java堆是否规整又由采用的垃圾回收器是否带有压缩整理功能决定；
对分配内存空间的动作进行同步处理的方法：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；另一种方式是把内存分配动作按照线程划分在不同的空间中进行，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（TLAB），哪个线程需要分配内存，就在哪个线程的TLAB上分配。
step3: 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这一工作过程可以提前到TLAB分配时进行，这一步操作保证了对象的是实例字段在java代码中可以不赋初值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值；
step4: 虚拟机对对象进行必要的设置；如对象是哪个类的实例，如何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；
以上工作完成，在虚拟机的角度看新的对象已经生成了，但是从java程序的角度看对象创建才刚刚开始，init方法还没有执行，所有字段还都为零。一般来说，执行完new之后会接着执行<init>方法（由字节码中是否跟随invokespecial指令所决定），把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。
2 对象的内存布局
对象在内存中的存储布局可以分为三块区域：对象头（header），实例数据（instance data）和对齐填充（padding）；
对象头包括两部分信息，第一部分为“Mark word”，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，线程持有锁，偏向线程ID，偏向时间戳等；另一部分为类型指针，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。
实例数据备份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。
第三部分对齐填充并不是必然存在的，仅仅起着占位符的作用。因为HotSpot虚拟机的自动内存管理系统要求对象的起始地址必须是8字节的整数倍，也就是说对象的大小必须是8字节的整数倍，对象头部分正好是8字节的倍数，因此当对象实例数据部分没有对齐时，就必须要铜鼓哦对齐填充来补全。
3 对象的访问定位
java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。由于reference类型在java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用该通过何种方式去定位，访问堆中的对象的具体位置，所以对象的访问方式也是取决于虚拟机的实现而定。主流的访问方式包括使用句柄和直接指针两种。
使用句柄：
java堆中回划分一块内存用作句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象的实例数据与类型数据各自具体的地址信息；
好处是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
直接指针：
java堆对象的布局就必须考虑如何防止访问类型数据的相关信息，reference中存储的直接就说对象地址；
好处是速度快，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。HotSpot采用的是这种方式进行对象访问。