JVM-内存管理
对于Java程序员来讲，在虚拟机自动内存管理机制帮助下，不须要为每个new操做去写配对的delete／free代码，不容易出现内存泄漏和溢出方面的问题。一旦出现内存泄漏和溢出问题，若是不了解虚拟机怎样使用内存的，那么排查错误将会成为一项异常艰难的工做。java
运行时数据区域
Java虚拟机在执行Java程序的过程当中会把它所管理的内存划分为若干个不一样的数据区域。根据《Java虚拟机规范（Java SE 7版）》的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包括如下几个运行时数据区域，如图所示：程序员
程序计数器
程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存区域，能够把它看做是当前线程所执行的字节码的行号的指示器。在虚拟机概念模型中，字节码解释器工做时就是经过改变程序计数器的值来选取下一条须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须要依赖这个计数器来完成。算法
因为Java虚拟机的多线程是经过线程轮流切换并分配处理器所执行时间的方式来实现的，在任何一个时刻，一个处理器（相对于多核处理器）都只会执行一条线程中的指令。所以，为了线程切换后可以恢复到正确的执行位置，每条线程须要有一个独立的程序计数器，各线程之间计数器互相不影响，独立存储，咱们称这类内存区域为“线程私有”的内存。数组
若是线程正在执行的是一个Java方法，计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；若是正在执行的是Native方法，计数器值则为空。此内存区域是惟一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemeryError状况的区域。缓存
Java虚拟机栈
Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型；每一个方法在执行的同时都会建立一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操做数栈、动态连接、方法出口等信息。每个方法从调用直到执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。安全
在java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况情况：若是线程请求的栈深度大于虚拟机所容许的深度，将抛出StackOverflowError异常；若是虚拟机能够动态扩展（大部分Java虚拟机均可动态扩展，同时也容许固定长度的虚拟机栈），若是扩展时没法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。微信
本地方法栈
本地方法栈是为虚拟机执行Native方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈使用的语言、使用方式与数据结构并无强制规定，所以具体的虚拟机能够自由实现它。数据结构
Sun HotSpot虚拟机将本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈同样，本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。多线程
Java堆
对于大多数应用来讲，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被全部线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时建立，几乎全部的对象实例和数组都在这里分配。Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，所以不少时候也称作“GC堆”。并发
根据Java虚拟机规范的规定，Java堆能够处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上连续的便可。在实现时，便可实现成固定大小的，也能够是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照扩展来实现的（经过-Xmx和-Xms控制）。若是在堆中没有内存完成实例分配，而且堆也没法扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。
方法区
方法区（Method Area）是各个线程共享的内存区域，它用于存储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。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但它却有一个别名叫作“Non-Heap（非堆）”，目的应该是与Java堆区分开来。
Java虚拟机规范对方法区的限制很是宽松，除了和Java堆同样不须要连续的内存和能够选择固定大小或者可扩展外，还能够选择不实现垃圾收集。这区域的内存回收目标主要针对常量池的回收和对类型卸载，通常来讲，这个区域的回收“成绩”比较难以使人满意，尤为是类型的卸载，条件至关苛刻，可是这部分区域的回收确实是必要的。
根据Java虚拟机规范的规定，当方法区没法知足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。
运行时常量池
运行时常量池（Runtime Constant Pool）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（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各类字面量和符号引用，这部份内容将在类加载后进入方法区的运行常量池中存放。
运行时常量池是具有动态性，Java语言并不要求常量必定只有编译器才能产生，也就是并不是预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用比较可能是String类的intern()方法。
直接内存
直接内存（Direct Memory）并非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，可是这部份内存也被频繁地使用，并且也可能致使OutOfMemoryError异常。
在JDK 1.4中新加入了NIO类，引入了一种基于通道（Channel）与缓存区（Buffer）的I／O方式，它可使用Native函数库直接分配堆外内存，而后一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象做为这块内存的引用进行操做。这样能在一些场景中显著提升性能，由于避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。
显然，本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，可是，既然是内存，确定仍是会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。
若是各个内存区域总和大于物理内存限制，从而致使动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。
HotSpot虚拟机如何处理对象分配、布局和访问
对象分配
虚拟机遇到一条new指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在子常量池中定位到一个类的符号引用，而且检查这个符号引用表明的类是否已被加载、解析和初始化过。若是没有，那必须先执行相应的类加载过程。在类加载检查经过后，虚拟机将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即可彻底肯定，为对象分配空间的任务等同于把一块肯定大小的内存从Java堆中划分出来。
对象内存分配方式:
一、指针碰撞
假设Java堆中内存是绝对规整的，全部用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另外一边，中间放着一个指针做为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离。
二、空闲列表
若是Java堆中内存并非规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，虚拟机就必须维护一个列表，记录上那些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一个足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录。
选择哪一种分配方式由Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。所以，在使用Serial、ParNew等带Compact过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞；而使用CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器时，一般采用空闲列表。
分配过程当中如何解决线程安全：
在并发状况下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状况。虚拟机经过如下两种方式解决线程安全问题：
一、对分配内存空间的动做进行同步处理——实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操做的原子性；
二、把内存分配的动做按照线程划分在不一样的空间之中进行，即每一个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。那个线程要分配内存，就在哪一个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB时，才须要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，能够经过-XX:+/-UseTLAB参数来设定。
内存分配完成后，虚拟机须要将分配到内存空间都初始化为零值（不包括对象头），若是使用TLAB，这一工做过程也能够提早至TLAB分配时进行。这一步操做保证了对象的实例字段在Java代码中能够不赋初始值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。
接下来，虚拟机要对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪一个类的实例、如何才能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。这些信息存放在对象的对象头（Object Header）之中。根据虚拟机当前的运行状态的不一样，如是否启用偏向锁等，对象头会有不一样的设置方式。
在上面工做都完成以后，从虚拟机的视觉来看，一个新的对象已经产生了，但从Java程序的视图来看，对象建立才刚刚开始——init方法尚未执行，全部的字段都还为零。通常类说（由字节码中是否随invokespecial指令所决定），执行new指令以后会接着执行init方法，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彻底产生出来。
对象的内存布局
在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局能够分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data） 和对齐填充（Padding）。
对象头
HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息，用于存储对象自身的运行时数据和类型指针。
一、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、偏向线程ID、偏向时间戳等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32bit和64bit，官方称为“Mark Word”。对象须要存储的运行时数据不少，其实已经超出了32位和64位Bitmap结构所能记录的限度，可是对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存存储尽可能多的信息，它会根据对象的状态复用本身的存储空间。
二、类型指针
即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机经过这个指针来肯定这个对象是哪一个类的实例。并非全部的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，换句话说，查找对象的元数据信息并不必定要通过对象自己。
实例数据
实例数据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类类型的字段内容。不管是从父类继承下来的，仍是在子类中定义的，都须要记录起来 。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数和字段在Java源码中定义顺序的影响。
对其填充
对其填充并非必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的做用。因为HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，换句话说，就是对象的大小必须是8字节的整数倍。因为对象头部分正好是8字节的整数倍，所以，当对象实例数据部分没有对齐时，就须要经过对齐填充来补全。
对象的访问定位
创建对象是为了使用对象，Java程序须要经过栈上的reference数据来操做堆上的具体对象。因为reference类型在Java虚拟机规范中规定了一个指向对象的引用，并无定义这个引用应该经过何种方式去定位、访问堆中对象的具体位置，因此对象访问方式也是取决于虚拟机实现而定的。
目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。以下：
一、句柄访问
Java堆中会划分出一块内存来做为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息。
二、直接指针访问
Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置类型数据的相关信息，而reference中存储的直接就是对象地址。
使用句柄访问的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是很是广泛的）时只会改变句柄的实例数据指针，而reference自己不须要修改。
使用直接指针访问的最大好处就是速度更快，节省了一次指针定位的时间开销，因为对象的访问在Java中很是频繁，所以也是一项很是客观的执行成本。Sun HotSpot虚拟机采用直接指针进行对象访问的。
OutOfMemoryError异常
在Java虚拟机规范的描述中，除了程序计数器外，虚拟机内存的其余几个运行时区域都发生OutOfMemoryError异常的可能。
Java堆溢出
Java堆用于存储对象实例，只要不断地建立对象，而且保证GC Roots到对象之间有可达路径来避免垃圾回收机制清除这些对象，那么在对象数量到达最大堆的容量限制后就会产生内存溢出异常。
/** * VM Args：-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError */
public class HeapOOM {
static class OOMObject{}
public static void main(String[] args) {
List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();
while(true){
list.add(new OOMObject());
}
}
}
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运行结果：
要解决这个区域的异常，通常的手段是先经过内存映像分析工具对Dump出来的堆转储快照进行分析，重点是确认内存中的对象是不是必要的，也就是要先分清楚究竟是出现了内存泄漏仍是内存溢出。若是是内存泄漏，可进一步经过工具查看泄漏对象到GC Roots的引用链。因而就能找到泄漏对象是经过怎样的路径与GC Roots相关联并致使垃圾收集器没法自动回收它们的。若是不存在泄漏，就是内存中的对象确实都还必须存活着，那就应当检查虚拟机的堆参数，与机器物理内存对比看是否还能够调大，从代码上检查是否存在某些对象生命周期过长、持有状态时间过长的状况，尝试减小程序运行期的内存消耗。
虚拟机栈和本地方法栈溢出
因为在HotSpot虚拟机中并不区分虚拟机栈和本地方法栈，所以，对于HotSpot来讲，虽然-Xoss参数（设置本地方法栈大小）存在，但其实是无效的，栈容器只由-Xss参数设定。
/** * VM Args；-Xss160k */
public class JavaVMStackSOF {
private int stackLength = 1;
public void stackLeak(){
stackLength++;
stackLeak();
}
public static void main(String[] args) {
JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();
oom.stackLeak();
}
}
复制代码
方法区和运行时常量池溢出
String.intern()是一个Native方法，它的做用是：若是字符串常量池中已经包含一个等于此String对象的字符串，则返回表明池中这个字符串的String对象；不然，将此String对象包含的字符串添加到常量池中，而且返回此String对象的引用。在JDK 1.6及以前的版本中，因为常量池分配在永久代内，咱们能够经过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法区大小，从而间接限制其中常量池的容量。
/** * VM Args：-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M */
public class RuntimeConstantPoolOOM {
public static void main(String[] args) {
List<String> list = new ArrayList<String>();
int i = 0;
while (true){
list.add(String.valueOf(i).intern());
}
}
}
复制代码
在JDK 1.8中运行出现以下提示,并无出现内存溢出：
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option PermSize=10M; support was removed in 8.0
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option MaxPermSize=10M; support was removed in 8.0
网上搜索资料找到以下一段内容，说明其缘由：
类的元数据, 字符串池, 类的静态变量将会从永久代移除, 放入Java heap或者native memory. 其中建议JVM的实现中将类的元数据放入native memory, 将字符串池和类的静态变量放入java堆中. 这样能够加载多少类的元数据就不在由MaxPermSize控制, 而由系统的实际可用空间来控制。
根据上述的描述，能够推测在JDK 1.8中测试方法区异常也是不会出现。
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