jvm--3.內存管理

5.JVM內存管理
JAVA虛擬機在執行java程序的過程中，會把它管理的內存分成若干個不同的數據區域。
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| 運行時數據區 |
| ----------- -------- ----------------- |
| | 方法區 | | 棧 | | 本地方法棧 | |
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| | 堆 | | 程序計數器 | |
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| ?? ?? ?? ?? |
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| | 執行引擎 | | 本地庫接口 | ?? | 本地方法庫 | |
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| 其中，堆和方法區，是所有線程共有區；
| 棧，本地方法棧，程序計數器，是線程私有區。
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(1) 內存區域
a.程序計數器（Program Counter Register），線程私有，不會拋出任何內存異常
I.可以這么理解，當前線程所執行字節碼的行號指示器。字節碼解釋器，就是通過程序計數器的值，來選取下一條要執行的字節碼指令（分支、循環、跳轉等基礎功能都需要依賴計數器）。
II.java虛擬機的多線程是通過，各個線程之間輪流切換并分配內存來實現的。在任何一個確定的時刻，一個處理器都只會執行一條線程中的指令。因此，為了線程切換回來之后能夠
恢復到正確的執行位置。每條線程都需要一個獨立的程序計數器。
III.如果線程正在執行的是一個java方法，計數器記錄的是正在執行的虛擬機字節碼指令的地址；
如果正在執行的是native方法，計數器的值為空。

b.java虛擬機棧 (Java Virtual Machine Stack) , 線程私有，會有 StackOverFlow 和 OutOfMemoryError異常 ，通過-Xss分配內存大小
I.每個方法在執行時，都會創建一個棧幀(Stack Frame)，用于存儲局部變量表，操作數棧，動態鏈接，方法出口等信息。
每一個方法從調用到執行完成的過程，就對應一個 棧幀 在虛擬機棧中，入棧到出棧的過程。

II.棧中的局部變量表，所需的內存空間，在編譯器間完成分配。在進入一個方法時，這個方法需要在幀(Stack Frame) 中分配多大的內存空間是確定的，在這個方法運行期間，
不會 改變 局部變量表 所占用 內存空間 的大小。

III.當java啟動一個線程時，虛擬機會計算出這個線程所需要的棧深度，（比如10），當線程請求的棧深度（每調一個方法壓一個棧幀，用掉一個棧深度），大于虛擬機給Stack分配的
棧深度，會拋出StackOverFlow異常。（用javap javap -verbose Test 查看程序的字節碼，Code 屬性， stack=2 , 可以查看運行的詳細過程，包括棧深度，和每個棧幀需要多少個slot）
當一個可擴展棧（棧有可擴展的有固定長度的，由使用的JAVA虛擬決定的），動態擴展時，無法請求到足夠的內存（比如我需要10M內存，但是JVM只給我5M），會拋出，
OutOfMemoryError異常。

c.本地方法棧 (Native Method Stack) ,線程私有，會有 StackOverFlow 和 OutOfMemoryError異常，通過-Xss分配內存大小
I.和java虛擬機棧基本一樣。區別不過是，
JVM Stack 為 虛擬機 執行java方法 服務；
Native Method Stack 為 虛擬機 執行本地方法服務
II.也會拋出StackOverFlow 和 OutOfMemoryError異常

d.java堆 ， 線程共享 ， 會拋出OutOfMemoryError異常。，通過-Xms分配內存最小值，-Xmx分配內存最大值
I.存放 對象實例 和 數組。
II.是垃圾回收的主要區域。
III. java堆，可以處于物理上的不連續空間，邏輯上連續即可。可動態擴展，通過-Xms控制大小。
IV.如果堆中沒有完成內存分配，并且堆也無法擴展是，將會拋出OutOfMemoryError異常。

e.方法區 , 線程共享 ， 會拋出OutOfMemoryError異常。
I.用于存儲，已經被虛擬機加載的，類的信息、常量、靜態變量、編譯后的代碼等數據
II.不需要連續的內存，可以選擇固定大小和可擴展
III.當方法區無法完成內存分配需求時，會拋出OutOfMemoryError異常。
e-slave. 運行時常量池，會拋出OutOfMemoryError異常。
是方法區的一部分。
I.Class文件中，除了有類的 版本、 字段、方法、接口、等描述信息外，還有一項就是常量池(Constant Pool Table)，用于存放編譯期生成的，
各種字面變量和符號引用（），這部分將在類加載后進入方法區的常量池。
II.并非預置在Class文件中常量池中的內容，才能進入方法區；運行期間也可能將新的常量放入池中。

f.直接內存,并不是java虛擬機內存的一部分，而是機器內存的一部分，會拋出OutOfMemoryError異常
I.NIO引入了一種類似于 通道(Channel) 和 緩沖區(Buffer) ，可以使用Native函數庫直接分配堆外內存。
然后，通過一個存儲在java堆中的，DirectByteBuffer對象作為這塊內存的引用進行操作。
這樣避免了在java堆和native堆中來回復制數據，提高了性能。
II.當直接內存和JVM內存之和大于機器內存時，拋出OutOfMemoryError內存。

（2）對象創建細節
a.內存分配方式
I.指針碰撞, 如果java堆中內存是絕對規整的，為對象分配空間的任務，等同于把一塊確定大小的內存從java堆中劃分出來。
如果java堆中內存是絕對規整的，所有用過的內存放在一邊，空閑的內存放在另一邊，中間放著一個指針作為臨界點，那么分配內存就是，
把指針向空閑空間那邊挪動等同于對象大小的距離，這種分配方式成為 指針碰撞。

II.空閑列表, 如果內存是不規則的，虛擬機就必須維護一個表，記錄那些內存塊是可用的，分配的時候找到一塊足夠大的內存塊分給對象實例，
并更新列表的記錄，這種方式稱為 空閑列表(Free List)

b.選擇哪種分配方式是java堆是否規整決定的，java堆是否規整，是由采用的垃圾收集器是否帶有壓縮功能決定的。因此，
使用Serial、ParNew燈光帶有壓縮(Compact)過程的收集器時，系統采用的分配算法是指針碰撞。
使用CMS這種基于 Mark-Sweep(標記-移除) 算法的收集器，系統采用的分配算法是空閑列表。

c.空閑列表問題，及解決方案
問題：
首先，堆是線程共有的，所以，當多線程創建對象是，有這樣一個問題，當Thread A分配一塊內存完成后，還沒更新列表，這時Thread B給
自己的對象分配了同一塊內存，這就造成了沖突。
方案：
I.對分配內存的動作，進行同步，這種造成性能下降。
II.每個線程在堆中，預先分配一小塊內存作為緩沖區，稱為(Thread Local Allocation Buffer , TLAB) ，哪個線程需要給自己的對象分配
內存，就在自己的TLAB上分配，只有自己的TLAB上分配完了，才需要同步鎖定。通過-XX:+/-UseTLAB參數來設定。（性能調優）

d.內存分配完成后，虛擬機將分配到的內存空間初始化為零值。這一步操作保證了Java代碼中可以不賦初始值就可以使用

e.接下來，虛擬機對對象進行必要的設置，例如這個對象是哪個類的實例、對象的hash-code、對象的GC分代年齡，等信息。存在對象頭中。
這樣從JVM的角度來說，對象創建完成。

f.對象的內存布局，對象在內存中的存儲可以分為3塊區域：
I.對象頭 (Header) : 包括兩部分信息，
第一部分，存儲對象自身運行時數據，如HashCode，GC分代年齡，鎖定狀態標志，線程持有的鎖。
第二部分，類型指針，即對象指向它的 類 元數據的指針，虛擬機通常用這個指針確定對象屬于哪個類。
還有記錄數組長度的信息。
II.實例數據 (Instance Data) : 程序定義的個字段的內容。包括父類和子類。
III.對齊填充 (Padding) : 占位符，換句話說，就是保證對象大小必須是 8字節(byte) 的整數倍

g.對象的訪問定位
java程序需要使用棧上面的reference，引用數據來操作堆上的具體對象。
I. 句柄
這種方式，Java堆中會分配一塊內存，作為句柄池，reference存儲的就是對象句柄池地址。
句柄中包含了對象實例數據 （在堆上），和類型數據（類數據，在常量池）具體地址信息。
好處：GC后reference不需要修改
II.直接指針
reference存儲的就是對象地址。
好處：速度快，節省了一次指針定位開銷。
Sun HotSpot使用直接指針
（3）堆溢出，OutOfMemoryError 后面跟 Heap
-Xms 和 -Xmx 設置堆的最大和最小內存
堆的最小參數 -Xms 和 最大參數 -Xmx 設置為一樣，就可以避免堆擴展。
a.解決思路：
I.用內存映像分析工具(如，Eclipse Memory Analyzer) 堆Dump出來的堆轉儲快照進行分析。
II.分析的重點是確認內存中的對象是否是必要的，即先確認是否有 內存泄漏（Memory Leak,當創建
的對象沒有使用，又無法被GC回收，就是內存泄漏）
III.如果是內存泄漏，查看泄漏對象到GC Roots的引用鏈信息，就能找到泄漏對象是通過怎樣的路徑與GC Roots相關聯，
并導致GC無法自動回收他們的。通過引用鏈信息，定位到泄漏代碼的位置，review代碼。
IV.如果沒有內存泄漏，即，內存中的對象都必須存活。那就看虛擬機堆參數(-Xms和-Mmx)和內存相比，看是否還可以調大。
從代碼上檢查是否有，某些對象生命周期過長，持有時間過長的情況，嘗試優化這些代碼，從而減少運行期的內存消耗。
（4）棧溢出 StackOverFlow
-Xss設置棧占用內存大小。默認1024K，也就是1M
a.虛擬機啟動時，有棧大小的默認參數，當所有的棧幀(Stack Frame)，內存加起來超過棧內存大小時，就會拋出StackOverFlow異常。
在棧深度，默認情況下，大多數棧深度達到1000-2000幀沒有問題，對于普通遞歸是夠用了（但是棧幀大小是不確定的，所以，只能是大多數情況下。）
b.建立線程數量過多，導致內存溢出
I.操作系統，分配給每個進程的內存是有限制的。如果給一個java分配了1G內存，
虛擬機提供了參數，來控制堆和方法區所占用內存大小，如果沒有指定棧占用的內存大小，忽略其它，剩余的內存 1G - 堆內存 - 方法區內存，被本地方法棧和虛擬機棧
瓜分，棧是線程私有的，棧分配的內存越大，可以建立的線程數就越少，建立新線程時候，容易把剩下的內存耗盡。這種情況，可以減少最大堆，和減少棧容量，換取更多
的線程，避免內存溢出。
（5）方法區，內存溢出 。OutOfMemoryError后面跟隨PermGen
-XX:PerSize 和 -XX:MaxPermSize限制方法區大小
String.intern()是一個native方法,作用：如果字符串常量池中，已經包含一個等于此String 對象的字符串，則返回常量池中，代表此字符串的對象。
否則，將此String對象添加到常量池中。
a.Spring Hibernate在對類進行增強時，都會使用到CGLib這類字節碼技術，增強的類越多，就需要越大的方法區，容易導致方法區的內存溢出。
b.JSP第一次運行時，要編譯成java類，大量的jsp也有可能導致方法區內存溢出。

(6) 本機直接內存溢出 OutOfMemoryError Unsafe.allocateMemory
DirectMemory 容量可以通過：-XX:MaxDirectMemorySize指定，如果不指定，則默認與java堆最大值 （-Xmx）一樣。
如果內存溢出，在堆的Dump文件很小，或者沒有明顯的異常，又或者程序中使用了NIO，可以考慮是 本機直接內存溢出。