深入理解JVM第二章-自动内存管理

 

什么时候能带着理解的目标看JVM？

这个问题是我从学习Java开始，即大二上册开始，一直抱有的问题，我在网上搜索了很多次，都没有告知我明确的答案，我想现在我可以勉强给个答案，我觉得：

• 操作系统学习过一遍
  
• 计算机组成原理学习过一遍
  
• 有一定的汇编语言基础
  
• Java SE有着扎实的基础
  
• 有一定的并发编程基础【因为虚拟机的设计都需要考虑高并发状态】
  

为什么要学习Java内存区域和内存溢出异常？

Java程序员把控制内存的权力交给了Java虚拟机，一旦出现内存泄露和溢出方面的问题，如果不了解虚拟机的内存管理机制，修正错误将会成为艰难的一项工作。
 
运行时数据区域有哪几类？什么时候会发生OOM？

程序计数器

定义：程序计数器是当前线程所执行的字节码的行号指示器（程序控制流指示器），程序的分支、循环、跳转、异常处理和线程恢复等继承功能都依赖它来实现。特别的是，如果线程正在执行一个Java方法，那么它记录着虚拟机字节码指令的地址；如果执行的是本地（关键字native）方法，那么它记录着空值。
生命周期：它是线程私有的内存，每条线程都有一个独立的程序计数器，各条线程之间互不影响，独立存储；随用户线程的启动和结束而建立和销毁。
OOM：没有任何可能出现OOM的情况。
 
虚拟机栈

什么是栈帧？
每个方法被执行时，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等方法有关的信息【参考汇编语言栈的作用】。
什么是局部变量表？
局部变量表存储了方法执行过程中所有的局部变量，包括：基本数据类型、对象引用、方法返回地址（指向一条字节码指令的地址）。
定义：每一个线程中，存储栈帧的栈就是虚拟机栈。每一个方法从被调用到执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
生命周期：它是线程私有的内存，生命周期与线程相同。
OOM：栈深度超出了虚拟机的最大深度，抛出StackOverflow。而假如虚拟机栈支持动态扩展，则虚拟机栈无法申请到足够的内存时，会抛出OutOfMemoryError（OOM）。
 
本地方法栈

和虚拟机栈大致一样，只不过本地方法栈存储的是本地方法（关键字native）的栈帧，而虚拟机栈存储的是Java方法的栈帧。
 
堆

定义：几乎所有的对象实例以及数组都在堆上分配。（new关键字）
为什么说是几乎所有？
随着即时编译技术及逃逸分析技术的日渐强大，栈上分配、标量替换（应该是两种编译优化技术）已经导致对象实例有可能不在堆中而在栈中了！
什么是经典分代？
新生代和老年代，在GC回收算法中它们会成为主角哦。
在我看来，为什么堆的生命周期没有那么绝对？
大多对象实例是线程共享的（这个很明显吧，这是线程安全问题存在的根本原因），但也有少部分是线程私有的，比如：ThreadLocal它就是线程私有的堆内存区域和TLAB（下面会讲）。
从这，对自己说一句，可以明显看出的是，大多事务都不绝对，一切都是为了更好的运行而设计的，而不是为了规则本身而设计的，别太死板。生命周期由GC回收算法控制。
OOM：堆内存不足以进行对象实例内存分配并且堆再也无法动态拓展时，会抛出OOM。
 
方法区

这是最难理解的内存分配区域，极其劝退，我前六次都被它劝退了，概念很绕，hh。概括来说，就是这里存储着有关类的一切信息！
永久代、元空间和方法区是什么关系？
永久代、元空间都是方法区的一种实现。在永久代被废除后，方法区的实现就采用元空间。
永久代和元空间有什么不同？
存储位置不同，永久代是堆的一部分，和新生代，老年代地址是连续的，而元空间属于本地内存；
存储内容不同，元空间存储类的元信息，而静态变量和常量池等并入堆中。相当于永久代的数据被分到了堆和元空间中。
但是，同样的，对概念别太死板，虽然现在方法区的实现是元空间，但是，堆中的那部分数据仍然是属于方法区的，也就是堆和方法区（又称非堆）其实并没有那么清晰的界限，都只不过是为了对内存进行更好的分配罢了。
定义：它存储着虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量和即时编译器编译后的代码缓存等长期存在的数据。
解释什么是常量池？

• 字符串常量池：存放字符串常量和字符串常量引用（intern存入的字符串常量引用，new方法会创建一个字符串对象同时存入一个字符串常量到池中）的内存区域，里面字符串常量不会重复。原本被归类于方法区，因为长期不会被回收；后被归类于堆，因为方法区太小，容不下这尊大佛了。
  
• Class常量池：用于存放编译器生成的Class文件中的各种字面量(Literal)和符号引用(Symbolic References)；
  
• 运行时常量池：运行时常量池可以在运行期间将符号引用解析为直接引用，由运行时常量池存储这些直接引用。也就是说，运行时常量池存储着Class常量池运行期间存入的符号引用，以及由符号引用解析出来的直接引用，还包括运行期间产生的新的常量（关于字符串String中的intern方法，如果字符串常量池中已经存在此字符串常量，不变；而如果不存在，字符串常量池存入此字符串常量的引用）
  

OOM：当方法区（运行时常量池）无法满足新的内存分配需求时，会抛出OOM。
 
什么是直接内存？

非JVM管理的一块内存区域。
什么是NIO？
NIO是一种基于通道于缓冲区的IO方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的应用进行操作，显著提高了Java应用程序的性能。（偷偷占了多的内存能不显著吗？）
产生OOM的原因？
显然，直接内存超出了JVM可以管理的内存区域，因为这是它偷的内存。理想假设，本机只有2GB的运行内存，而我分配给了虚拟机2GB，但本机2GB因为NIO直接内存的存在，实际没有2GB了，那么当JVM动态拓展内存区域时，内存就不够了，就会出现OOM。
 
对象是如何创建的？


 
对象内存的分配方式有哪些？
指针碰撞：把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：虚拟机维护一个列表，记录哪块内存是可用的，从列表中利用分配算法找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表，会产生外部碎片。
具体选择哪种方式取决于虚拟机的垃圾回收策略，这种两种内存方式参考了操作系统的内存分配策略。
 
内存分配的并发问题如何解决？
同步处理：利用CAS算法（Compare And Swap）配上失败重试机制，保证分配内存操作的原子性。
TLAB：Thread Local Allocation Buffer，每个线程先在线程的本地缓冲区中分配，本地缓存区用完了再利用同步处理分配线程的本地缓存区。
可以使用-XX:+/-UseTLAB来配置TLAB。
 
对象实例在堆中的内存分布布局？

对象头、实例数据和对齐填充。
对象头存储着什么信息？
一部分是用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁（客户端锁定）、偏向线程ID、偏向时间戳等。
另一部分用于存储类型指针，即对象指向它的类型元数据的指针，通过这个来确定对象是哪个类的实例。（反射会用到）如果是数组，还会存储数组的长度，因为一般的对象实例通过元数据信息已经可以确定大小，而数组不行。
实例数据存储着什么信息？
程序代码里所定义的各种类型的字段内容。
为什么要对齐填充？
就和计网IP数据报以及计组里学的一样，数据最好封装成字节的整数倍，方便CPU读取。
 
对象如何进行访问定位？

使用句柄

如果使用句柄访问，在java堆中将划分出一块内存来作为句柄池。reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含对象实例数据与类型数据具体地址信息。
 

 
直接访问

 
使用直接访问，在java堆中对象的内存布局就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息。reference中直接存储对象地址即可。
 

 
句柄访问和直接访问的优缺点

句柄访问在引用和具体数据之间增加了一层转换关系，这层转换关系使得对象在被移动的时候(如垃圾回收)只需要改变转换关系，即改变句柄池中的引用指向即可。而引用本身不需要被修改。使用直接访问最大的好处就是快，因为相对于句柄访问减少了一次指针定位的时间。由于java是面向对象语言，对象访问非常频繁，因此这种访问开销积少成多也非常可可观。hotspot虚拟机使用的就是直接访问方式。
  
 
 

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