02Java虚拟机内存模型概况——Java内存区域与内存溢出

02Java虚拟机内存模型概况——Java内存区域与内存溢出 [02]Java虚拟机内存模型概况——Java内存区域与内存溢出

aothor：陈镇坤27

创建时间：2021年12月13日23:07:32

文章目录

• [02]Java虚拟机内存模型概况——Java内存区域与内存溢出
• • 一、Java虚拟机内存模型概况
  • • 问：JVM的运行时数据区域有哪些哪些部分？
    • 问：什么是虚拟机概念模型？
    • 问：简单介绍下程序计数器。
    • 问：为什么程序计数器是私有的？
    • 问：什么是虚拟机栈？
    • 问：比较C语言中的内存布局，Java与之对标的”栈内存“是什么？
    • 问：Java虚拟机栈栈帧中的局部变量表指什么？
    • 问：什么是本地方法栈？
    • 问：什么是Java堆？
    • 问：老年代、年轻代这些，是Java堆的固有内存布局吗？为什么？
    • 问：java堆中是否还有细分的结构？
    • 问：java堆的是物理上连续的内存吗？
    • 问：java堆相关参数有哪些。
    • 问：什么是方法区？
    • 问：方法区是永久代吗？不是的话，产生了什么问题？
    • 问：什么是运行时常量池？
    • 问：Class文件包含了什么内容？
    • 问：什么是直接内存？
  • 二、HotSpot虚拟机对象创建始末
  • • 问：对象是如何创建的？
    • 问：什么是分配内存时的“指针碰撞”和“空闲列表”？
    • 问：关于对象创建，在并发情况下可能产生什么问题？解决方法是什么？
    • 问：对象的内存是如何布局的？
    • 问：对象的对象头主要包含什么内容？
    • 问：对象的实例数据部分存储什么内容？
    • 问：对象中的对齐填充是什么?
    • 问：如何访问对象？
  • 三、OutOfMemoryError
  • • 问：内存溢出和内存泄露的区别是什么？
    • 问：怎么设置Java堆大小？
    • 问：怎么分析Java堆的内存溢出异常？
    • 问：怎么设置虚拟机栈和本地方法栈大小？
    • 问：虚拟机栈可能抛出什么异常？
    • 问：虚拟机栈的最小值和最大值为多少，怎么理解？
    • 问：Hopspot虚拟机下，线程在什么情况下能出现OutOfMemoryError？
    • 问：32位的系统，在不能进行升级和提升机器性能的情况下，怎么降低频繁创建线程时出现OutOfMemoryError的概率？
    • 问：String::intern()方法的作用是什么？在永久代和元数据空间之中，有什么区别？
    • 问：JDK6及以前的永久代设置参数是多少？
    • 问：在JDK6以JDK8下，下列代码的执行结果分别是什么？为什么？
    • 问：在实际生产中，什么因素影响方法区？
    • 问：在JDK8及以后，设置元空间大小的参数是什么？
    • 问：什么是直接内存溢出？

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一、Java虚拟机内存模型概况 问：JVM的运行时数据区域有哪些哪些部分？

答：根据《Java虚拟机规范》规定，主要包含运行时数据区（方法区、堆、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器）、执行引擎（共有）、本地库接口（共有）。

问：什么是虚拟机概念模型？

答：虚拟机概念模型是虚拟机的“统一外观”，不规划具体实现。

PS：类似于数据库设计过程（中级软件分析师）的概念结构设计。

问：简单介绍下程序计数器。

答：每个线程都会分配到一个私有的程序计数器（行号指示器），指示当前线程所执行字节码。字节码解释器工作时，通过改变程序计数器的值，来选取字节码指令。当线程执行的是Java方法时，程序计数器存储虚拟机字节码指令地址。如果执行的是Native方法，则值为Undefined。

PS：该区域是唯一一个在《Java虚拟机规范》中不要求抛出OutOfMemory的内存区域。

问：为什么程序计数器是私有的？

答：多线程系统中，有限的CPU资源被多线程切换使用，为了确保线程切换后，能够从上一个停止的位置恢复执行，因此需要确保程序计数器是线程私有的。

问：什么是虚拟机栈？

答：是描述Java执行的线程内存的模型，线程每调用一个Java方法，都会创建一个栈帧，（像d夹一样）压入虚拟机栈。栈帧存储局部变量表、 *** 作数栈、动态连接、方法出口等信息。

问：比较C语言中的内存布局，Java与之对标的”栈内存“是什么？

答：C语言主要分堆内存栈内存，在Java中讲栈内存时，更多时候是在指Java虚拟机栈的栈帧中的局部变量表。

问：Java虚拟机栈栈帧中的局部变量表指什么？

答：其中存放Java方法编译期确定的各种数据类型

基本数据类型数据，包括：boolean、byte、char、short、int、float、double、long

对象引用（reference）：指向对象起始地址的引用指针/指向代表对象的句柄/其他与此对象相关的位置

returnAddress：字节码指令地址

编译期还同时确定了栈帧局部变量表需要的空间，整个局部变量表在运行时不会发生改变（ClassicVM不清楚）。以上的数据存储中，long和double存储占用两个局部变量槽（Slot），其他的类型每个都只占用一个Slot，但具体每个Slot占用多少个bit，由虚拟机自身去实现（至少要大于或等于32bit）。

PS：HotSpot虚拟机不支持栈动态扩展，当在一个栈中创建超出阈值的栈时，在申请过程中，虚拟机会计算并抛出OOM（这是计算之后抛出的，而没有去真实地申请）。

PS：虚拟机栈帧结构的其他中文描述（不要和局部变量表的结构搞混）：

问：什么是本地方法栈？

答：比较虚拟机栈为虚拟机使用Java方法服务，本地方法栈为虚拟机使用Native方法服务。《Java虚拟机规范》并没有要求本地方法栈的具体实现（语言、结构等），HotSpot干脆将虚拟机栈和本地方法栈合二为一。

问：什么是Java堆？

答：“所有的对象实例以及数组都应当在堆上分配”。

因此Java堆成为了垃圾收集器主要管理的区域，由此也衍生出另一个称呼——GC堆。

问：老年代、年轻代这些，是Java堆的固有内存布局吗？为什么？

答：不是。它们是基于经典分代收集理论而设计的垃圾收集器的内部逻辑设计，是一种共同设计特性。既不是某个特定的虚拟机的内部固有内存布局，也不是《Java虚拟机规范》设计要求。

在过去（G1收集器（09年JDK7）出现以前），垃圾收集基本都是基于分代理念设计的，所以在描述Java堆内存时，这种说法不会产生太大歧义，但已然不适用于现代。

问：java堆中是否还有细分的结构？

答：在共享的堆中可划分出线程私有的分配缓存区（Thread local Allocation Buffer，TLAB），目的是为了加快内存分配和回收。

问：java堆的是物理上连续的内存吗？

答：《Java虚拟机规范》仅要求其逻辑上连续。

问：java堆相关参数有哪些。

答：

-Xmx   -Xms

问：什么是方法区？

答：《Java虚拟机规范》将方法区描述成堆的一个逻辑部分，但为区分，方法区也称“非堆”。

方法区由线程共享，存储被加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等。

问：方法区是永久代吗？不是的话，产生了什么问题？

答：不是。HotSpot使用永久代的逻辑设计来实现方法区，其目的是为了将方法区的内存收集纳入堆的垃圾收集器收集范围中，而比较JRockit 和 J9，它们都没有将方法区纳入垃圾收集区域中，好处是方法区没有默认的maxPermSize，不容易发生内存溢出（理论上直到触碰到进程分配的内存上限前（32位系统是4g））。根据方法区实现逻辑的差异，一些特殊的方法（String::intern()）调用表现也就有所不同。由于HotSpot方法区的实现逻辑与JRockit的差异，前者在融合后者的特性时，遇到了诸多阻碍，因此从JDK7移除了部分永久代的字符常量池和静态变量（此时还保留了类型信息），到JDK8最终完全移除了永久代，采用本地内存的元空间代替。

问：什么是运行时常量池？

答：运行时常量池是方法区的一部分。《Java虚拟机规范》对其没有任何细节要求。大体上，Class文件的常量池表用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，在类加载时，会存放到运行时常量池。

此外，符号引用翻译出来的直接引用也会存储在这个区域。

运行时常量池具有动态性，在运行期间，也可以将新的常量放入池中（例如String::intern()）

问：Class文件包含了什么内容？

答：类的版本、字段、方法、接口等描述信息，还有存放编译期生成的字面量和符号引用的常量池表。

问：什么是直接内存？

答：直接内存不是虚拟机内存的一部分，《Java虚拟机规范》对其也没有涉略，但在JDK1.4中加入NIO后，这种新型的基于通道和缓冲区的IO方式可以通过调用新增的native函数库来 *** 作堆外内存，然后通过Java堆中的DirectByteBuffer对象作为该堆外内存的引用进行 *** 作，从而减少IO传输过程中从Native堆到Java堆中的复制开销。这时，该申请的堆外内存称为直接内存。

直接内存受本机总内存、寻址空间影响，不受虚拟机进程内存影响。

二、HotSpot虚拟机对象创建始末

虚拟机对象数据如何创建、如何布局、如何访问？（以HotSpot为例）

问：对象是如何创建的？

答：程序计数器随线程执行到方法而初始化，若方法是字节码，则存储指示命令行的地址，当执行到new关键字时，虚拟机会检查new指令参数（也就是创建的类型）在运行时常量池中是否有对应的符号引用（类型信息）且是否已经被加载（初始化），若都没有，则会进行类加载。

在类加载检查之后，虚拟机会根据加载后计算好的内存大小，为对象在Java堆中分配内存，分配的方式分为“指针碰撞”和“空闲列表”，视Java堆的规整程度而定。收集器的空间压缩整理能力决定Java堆的规整能力。

内存分配完毕后，虚拟机会对内存空间进行初始化（数据类型的默认值，例如int a = 0，实例则初始化为0），以保证通过编译期检查（Java程序中不需要对对象的实例字段进行赋值便可以进行引用），若激活了TLAB设置，则线程在预分配TLAB内存时，便已经提前进行了内存空间的初始化了。

初始化完毕后，会对对象进行信息设置，设置对象头（类信息，类的元数据地址，对象的哈希值（真正调用Object::hashCode()方法时才计算），对象GC分代年龄等）、实例数据、对象填充。

信息设置完成，则虚拟机层面的对象创建完成，但Java层面的对象尚未完成，此时将执行对象的构造函数，走init命令，执行invokespecial指令，进行对象资源信息的填充。

填充完毕后，Java对象创建完毕。

PS：Java编译器在编译new关键字时，会生成new指令和invokespecial指令。

eg：Serial、ParNew具备，而CMS理论上不具备（内部划分的各个缓冲区具备）

问：什么是分配内存时的“指针碰撞”和“空闲列表”？

答：在Java堆中，以一个指针为临界点，区分正被使用内存以及空闲内存，指针碰撞便是创建对象，挪动指针的过程；指针碰撞要求堆中的内存规整，在已被使用内存和空闲内存相互掺杂的区域则无法进行，此时使用“空闲列表”——在列表中记录何处有多大的空闲内存，分配时从列表查询，并进行更新。

问：关于对象创建，在并发情况下可能产生什么问题？解决方法是什么？

答：堆中对象的创建过程很频繁，此时，不同的引用指针指向的内存空间是可能出现并发安全问题的。

解决方法一：对分配对象的过程进行同步处理。虚拟机通过调用系统的CAS指令进行内存分配，失败则重试（《Java高并发核心编程（卷2）：多线程、锁、JMM、JUC、高并发设计模式》那本书有更详细的解释）。

方法二：为每个线程在堆中预分配TLAB内存（Thread Local Allocation Buffer本地线程分配缓冲区），创建对象时在该内存中进行，当TLAB不足或用完，需要重新分配TLAB内存时，才用CAS方式处理。

-XX: +/-UseTLAB

问：对象的内存是如何布局的？

答：对象的内存布局包含对象头、实例数据、对齐填充三部分。

问：对象的对象头主要包含什么内容？

答：主要包含对象运行时自身数据、元数据类型指针、数组长度数据。

对象运行时元数据：哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有锁、偏向标志（详细可见《Java高并发核心编程（卷2）：多线程、锁、JMM、JUC、高并发设计模式》）

元数据类型指针(根据虚拟机的实现来，有的不一定存在)：对象通过该指针，在方法区中找到对象是哪个类的实例（主要作用通过类确定对象的大小）。

数组长度数据：当对象代表一个数组时，由于元数据无法确定数组长度，所以需要做记录。

问：对象的实例数据部分存储什么内容？

答：对象真正的有效信息。包括子类自身的以及从父类继承下来的各字段内容。记录的顺序受到虚拟机参数-XX: FieldsAllocationStyle 和字段在源码中的排序的影响。

字段排序上，虚拟机默认分配的顺序是相同宽度的字段排在一起（longs/doubles，ints，shorts/chars，bytes/booleans，oops），其次，再优先将父类继承下来的字段排列。

PS:若HotSpot虚拟机参数+XX:CompactFields值为true，则子类的窄变量也会允许插入父类变量的空袭之中，以节省空间。

问：对象中的对齐填充是什么?

答：对齐填充本身不具备意义，但HotSpot虚拟机自动内存管理系统要去任何对象的起始地址都必须是8字节的整数倍，虽然对象头必定满足8的整数倍（32bit或64bit），但实例数据区无法保证，因此产生对齐填充。

问：如何访问对象？

答：源码中，我们创建对象后常常会声明一个变量对其进行指向。这个变量称为引用（reference）。这个引用会存储在栈帧的局部变量表中，访问对象便是这个引用访问对象的过程。

有两种定位访问对象的方式：句柄和直接引用。

句柄是在堆中会划出一块内存作句柄池，句柄池中每个句柄包含了对象的实例数据地址和类型数据地址，reference则存储句柄池中对应的句柄地址。对象移动后，更改句柄池的实例数据指针即可，而reference不需要更改。

直接引用：reference直接存储堆中的对象实例数据地址，对象实例需要存储类型数据地址（此时对象头存储类型指针）

HotSpot采用的是直接引用（Shenandoah收集器需要额外一次转发）。

三、OutOfMemoryError 问：内存溢出和内存泄露的区别是什么？

答：

内存溢出（out of memory）：申请时内存不足，申请失败。

内存泄露（memory leak）：申请完的内存无法释放。

问：怎么设置Java堆大小？

答：在vm参数中设置：

-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError表示当出现内存溢出时，Dump出当前的内存堆转储快照。

问：怎么分析Java堆的内存溢出异常？

答：单独博客分析。

问：怎么设置虚拟机栈和本地方法栈大小？

答：虚拟机栈大小设置参数：-Xss

本地方法栈大小设置参数：-Xoss

PS：HotSpot的本地方法栈和虚拟机栈是融合一起的，所以-Xoss无效。

问：虚拟机栈可能抛出什么异常？

答：若请求栈深度大于max深度值，或栈大小大于栈容量，将抛出stackOverflowError，有错误堆栈可分析。

若栈允许动态扩展，则当扩展容量不能满足申请内存时，抛出OutOfMemoryError。

PS：HotSpot不支持栈的动态扩展。

问：虚拟机栈的最小值和最大值为多少，怎么理解？

答：虚拟机栈的最小值和最大值受 *** 作系统和虚拟机两者的影响。

32位Windows、JDK6：最小值128k；

64位Windows、JDK11：最小值180k；

64位Linux、JDK11：最小值228K；

问：Hopspot虚拟机下，线程在什么情况下能出现OutOfMemoryError？

答：线程的创建在进程中进行，若线程容量设置很大，在大量创建线程情况下，可能出现OutOfMemoryError。

在32位Windows系统下，单个进程最大内存为2G，更容易出现本异常。

问：32位的系统，在不能进行升级和提升机器性能的情况下，怎么降低频繁创建线程时出现OutOfMemoryError的概率？

答：降低最大堆容量或栈容量来实现。

问：String::intern()方法的作用是什么？在永久代和元数据空间之中，有什么区别？

答：使用String::intern()方法是Native方法，若字符串在字符串常量池中存在，则直接返回该String对象，否则先在字符串常量池中添加该String对象，再返回它。若在JDK6版本及以前使用，当永久代内存不足时，可抛出OutOfMemory ERROR，但此后伴随字符串常量池迁移到堆以及永久代的完全废除，运行时常量池几乎不可能（除非堆只有几MB）出现该异常（不足时会回收）。

问：JDK6及以前的永久代设置参数是多少？

答：

-XX:PermSize=6M -XX:MaxPermSize=6M

问：在JDK6以JDK8下，下列代码的执行结果分别是什么？为什么？

答：

public static void main(String[] args) {
        String str1 = new StringBuilder("计算机").append("软件").toString();
        System.out.println(str1.intern() == str1);

        String str2 = new StringBuilder("ja").append("va").toString();
        System.out.println(str2.intern() == str2);
    }

JDK6：false、false。

原因：str1对象和str2对象在堆中实例化，分别调用intern时，返回的是方法区中字符对象的引用地址，与堆中的引用地址不相同。

JDK8：true、false。

原因：str1对象在堆中实例化后，调用intern方法时，由于该字符不存在于运行时常量池，所以会在运行时常量池中记录该实例地址，并将其返回。所以两个相同的实例地址比较地址，结果相等。

而str2对象在堆中实例时，调用intern方法，发现该字符已经在运行时常量池存在，所以str2.intern()返回的实例地址并非str2的实例地址，结果不相等。

问：在实际生产中，什么因素影响方法区？

答：大量的框架（spring）通过动态代理的方式产生大量动态类，这些动态类会占用方法区。当生成的动态类越多，就越需要更大的方法区。此外，一些应用也会产生大量的动态类：JSP（第一次编译时会被编译为Java类），我们需要关注方法区的内存溢出，因为类的垃圾回收条件是比较苛刻的。

问：在JDK8及以后，设置元空间大小的参数是什么？

答：

-XX：MaxmetaspaceSize
    默认-1，表示不限制，只受本地内存大小影响
    
-XX：metaspaceSize
    指定元空间初始化大小，数据占用达到该大小时，会启动垃圾收集器进行收集，若释放空间小，则会自动适当提升该值（不大于max情况下），反之，会自动降低该值。
    
XX：MinmetaspaceFreeRatio
    指定垃圾收集后最小的元空间剩余容量占比，防止metaspaceSize太小，也可以减少频繁的垃圾回收。
有-XX：Max-metaspaceFreeRatio
    指定垃圾收集后最小的元空间剩余容量占比，防止metaspaceSize太大，造成空间浪费。

问：什么是直接内存溢出？

答：直接内存默认大小与最大堆大小一致，可通过参数-XX: MaxDirectMemorySize进行指定。一般地，直接内存的申请和分配是由Unsafe实例进行 *** 作的，在JDK10以前，除非使用反射，否则只有在虚拟机标准类库（例如NIO）中才能使用Unsafe功能(Unsafe::allocateMemory())。当向直接内存申请分配内存时，虚拟机经过计算，会提前发现内存不足，并在申请动作发生前，抛出OutOfMemoryError异常。

PS：直接内存抛出异常时，Heap Dump文件不会有明显特征，且Dump文件很小。用户需留意是否程序中直接或间接使用了直接内存（例如NIO）。