深入理解JVM Note

第2章　Java内存区域与内存溢出异常

运行时数据区域

在虚拟机有栈、堆和方法区。

线程共享的：堆、方法区
不共享的：栈、程序计数器（代码执行的行号）

程序计数器(Program Counter Register)：

一小块内存空间，单前线程所执行的字节码行号指示器。字节码解释器工作时，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。

栈

• 通常我们定义一个对象的引用，还有就是函数调用的现场保存都使用内存中的栈空间。
• 栈是一种线形集合，其添加和删除元素的操作应在同一段完成。栈按照后进先出的方式进行处理。
• 存在栈中的数据可以共享。假设我们同时定义:  int a = 3;　　int b = 3;  编译器先处理int a = 3；首先它会在栈中创建一个变量为a的引用，然后查找有没有字面值为3的地址，如果没找到，就开辟一个存放3这个字面值的地址，然后将a指向3的地址。接着处理int b = 3；在创建完b的引用变量后，由于在栈中已经有3这个字面值，便将b直接指向3的地址。这样，就出现了a与b同时均指向3的情况。
• StackOverflowError
• 方法压入和弹出
• 连续

1.引用类型总是被分配到“堆”上。不论是成员变量还是局部
2.基础类型总是分配到它声明的地方：成员变量在堆内存里，局部变量在栈内存里。

比如
void func(){
int a = 3;
}
这是存在栈里的。局部方法。
而
class Test{
int a = 3;
}
这是随对象放到堆里的。

堆

• 用来存放对象的，几乎所有对象都放在这里，被线程共享的，或者说是被栈共享的
• 栈空间操作起来最快但是栈很小，通常大量的对象都是放在堆空间，理论上整个内存没有被其他进程使用的空间甚至硬盘上的虚拟内存都可以被当成堆空间来使用（Android中不适用）。
• 堆又可以分为新生代和老年代，实际还有一个区域叫永久代，但是jdk1.7已经去永久代了，所以可以当作没有，永久代是当jvm启动时就存放的JDK自身的类和接口数据，关闭则释放。
• oom
• 新生代：主要是用来存放新生的对象。一般占据堆的1/3空间。由于频繁创建对象，所以新生代会频繁触发MinorGC进行垃圾回收。

方法区

类信息、常量池、静态变量，即类被编译后的数据

类信息
类型全限定名
类型是类类型还是接口类型。
类型的访问修饰符（public、abstract或final的某个子集）。
类型的常量池。
字段名和属性
方法名和属性
除了常量以外的所有类（静态）变量。

常量池的好处
常量池是为了避免频繁的创建和销毁对象而影响系统性能，其实现了对象的共享。例如字符串常量池，在编译阶段就把所有的字符串文字放到一个常量池中。
（1）节省内存空间：常量池中所有相同的字符串常量被合并，只占用一个空间。
（2）节省运行时间：比较字符串时，比equals()快。对于两个引用变量，只用判断引用是否相等，也就可以判断实际值是否相等。

String s0=”kvill”; 
String s1=”kvill”; 
String s2=”kv” + “ill”; 
System.out.println( s0==s1 ); 
System.out.println( s0==s2 ); 
结果为： 
true true

s0和s1中的”kvill”都是字符串常量，它们在编译期就被确定了，存放在常量池

用new String() 创建的字符串不是常量，不能在编译期就确定，所以new String() 创建的字符串不放入常量池中，它们有自己的地址空间。存放在堆

String s0=”kvill”; 
String s1=new String(”kvill”); 
String s2=”kv” + new String(“ill”); 
System.out.println( s0==s1 ); 
System.out.println( s0==s2 ); 
System.out.println( s1==s2 ); 
结果为： false false false

String str = new String("hello");

上面的语句中变量str放在栈上，用new创建出来的字符串对象放在堆上，而"hello"这个字面量放在静态区。

对象

• 虚拟机遇到一条new指令时，首先会检查这个指令的参数是否能在常量池里定位到这个类符号的引用，并且检查这个符号引用的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。

对象的内存布局

• 对象在内存中存储的布局可以分为3个部分：对象头、实例数据、对齐填充。
• 对象头包括两部分信息，第一部分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、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，Mark Word
• 第三部分对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。由于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。而对象头部分正好是8字节的倍数（1倍或者2倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

对象的访问定位
建立对象是为了使用对象，我们的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应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。

如果使用句柄访问的话，那么Java堆中将会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，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息

如果使用直接指针访问，那么Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而reference中存储的直接就是对象地址

使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它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。就本书讨论的主要虚拟机Sun HotSpot而言，它是使用第二种方式进行对象访问的

模拟溢出

堆溢出
当出现Java堆内存溢出时，异常堆
栈信息“java.lang.OutOfMemoryError”会跟着进一步提示“Java heap space”

java.lang.OutOfMemoryError：Java heap space
Dumping heap to java_pid3404.hprof……
Heap dump file created[22045981 bytes in 0.663 secs

Eclipse Memory Analyzer
如果是内存泄露，可进一步通过工具查看泄露对象到GC Roots的引用链。于是就能找到泄露对象是
通过怎样的路径与GC Roots相关联并导致垃圾收集器无法自动回收它们的。掌握了泄露对象的类型信息及GC Roots引用链的信息，就可以比较准确地定位出泄露代码的位置。

StackOverflowError
在单个线程下，无论是由于栈帧太大还是虚拟机栈容量太小，当内存无法分配的时候，虚拟机抛出的都是StackOverflowError异常。

  public class JavaVMStackSOF{
        private int stackLength=1；
        public void stackLeak（）{
            stackLength++；
            stackLeak（）；
        }
        public static void main（String[]args）throws Throwable{
            JavaVMStackSOF oom=new JavaVMStackSOF（）；
            try{
                oom.stackLeak（）；
            }catch（Throwable e）{
                System.out.println（"stack length："+oom.stackLength）；
                throw e；
            }
        }
    }

方法区和运行时常量池溢出
运行时常量池溢出，在OutOfMemoryError后面跟随的提示信息是“PermGen space”，说明运行时常量池属于方法区（HotSpot虚拟机中的永久代）的一部分。

  public class RuntimeConstantPoolOOM{
        public static void main（String[]args）{
            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）；
            }
        }
    }

这段代码在JDK 1.6中运行，会得到两个false，而在JDK 1.7中运行，会得到一个true和一个false
JDK 1.7（以及部分其他虚拟机，例如JRockit）的intern（）实现不会再复制实例，只是在常量池中记录首次出现的实例引用，因此intern（）返回的引用和由StringBuilder创建的那个字符串实例是同一个。
对str2比较返回false是因为“java”这个字符串在执行StringBuilder.toString（）之前已经出现过，字符串常量池中已经有它的引用了，不符合“首次出现”的原则，而“计算机软件”这个字符串则是首次出现的，因此返回true。

理解GC日志

33.125：[GC[DefNew：3324K-＞152K（3712K），0.0025925 secs]3324K-＞152K（11904K），0.0031680 secs]
1 0 0.6 6 7：[F u l l G C[T e n u r e d：0 K-＞2 1 0 K（1 0 2 4 0 K），0.0 1 4 9 1 4 2 s e c s]4603K-＞
210K（19456K），[Perm：2999K-＞2999K（21248K）]，0.0150007 secs][Times：user=0.01 sys=0.00，real=0.02 secs]

最前面的数字“33.125：”和“100.667：”代表了GC发生的时间，这个数字的含义是从Java虚拟机启动以来经过的秒数。

接下来的“[DefNew”、“[Tenured”、“[Perm”表示GC发生的区域，这里显示的区域名称与使用的GC收集器是密切相关的，例如上面样例所使用的Serial收集器中的新生代名为“Default New Generation”，所以显示的是“[DefNew”。如果是ParNew收集器，新生代名称就会变为“[ParNew”，意为“Parallel NewGeneration”。如果采用Parallel Scavenge收集器，那它配套的新生代称为“PSYoungGen”，老年代和永久代同理，名称也是由收集器决定的。

后面方括号内部的“3324K-＞152K（3712K）”含义是“GC前该内存区域已使用容量-＞GC后该内存区域已使用容量（该内存区域总容量）”。而在方括号之外的“3324K-＞152K（11904K）”表示“GC前
Java堆已使用容量-＞GC后Java堆已使用容量（Java堆总容量）”。
再往后，“0.0025925 secs”表示该内存区域GC所占用的时间，单位是秒。

第3章　垃圾收集器与内存分配策略

垃圾收集器与内存分配策略

哪些内存需要回收？
什么时候回收？
如何回收？

• Java内存运行时区域的各个部分，其中程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈3个区域随线程而生，随线程而灭；栈中的栈帧随着方法的进入和退出而有条不紊地执行着出栈和入栈操作。每一个栈帧中分配多少内存基本上是在类结构确定下来时就已知的（尽管在运行期会由JIT编译器进行一些优化，但在本章基于概念模型的讨论中，大体上可以认为是编译期可知的），因此这几个区域的内存分配和回收都具备确定性，在这几个区
  域内就不需要过多考虑回收的问题，因为方法结束或者线程结束时，内存自然就跟随着回收了。
• 而Java堆和方法区则不一样，一个接口中的多个实现类需要的内存可能不一样，一个方法中的多个分支需要的内存也可能不一样，我们只有在程序处于运行期间时才能知道会创建哪些对象，这部分内存的分配和回收都是动态的，垃圾收集器所关注的是这部分内存。

对象存活判定算法

引用计数算法

• 给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加1；当引用失效时，计数器值就减1；任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的。
• 但是，至少主流的Java虚拟机里面没有选用引用计数算法来管理内存，其中最主要的原因是它很难解决对象之间相互循环引用的问题。
• 举个简单的例子，请看代码清单3-1中的testGC（）方法：对象objA和objB都有字段instance，赋值令objA.instance=objB及objB.instance=objA，除此之外，这两个对象再无任何引用，实际上这两个对象已经不可能再被访问，但是它们因为互相引用着对方，导致它们的引用计数都不为0，于是引用计数算法无法通知GC收集器回收它们。
  虚拟机并不是通过引用计数算法来判断对象是否存活的。

可达性分析算法
基本思路就是通过一系列的称为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链（ReferenceChain），当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连（用图论的话来说，就是从GC Roots到这个对象不可达）时，则证明此对象是不可用的

即使在可达性分析算法中不可达的对象，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“缓刑”阶段，要真正宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程：
如果对象在进行可达性分析后发现没有与GCRoots相连接的引用链，那它将会被第一次标记并且进行一次筛选，筛选的条件是对象是否有必要执行finalize（）方法。
当对象没有覆盖finalize（）方法，或者finalize（）方法已经被虚拟机调用过，虚拟机将这两种情况都视为“没有必要执行”。

代码中有两段完全一样的代码片段，执行结果却是一次逃脱成功，一次失败，这是因为任何一个对象的finalize（）方法都只会被系统自动调用一次，如果对象面临下一次回收，它的finalize（）方法不会被再次执行，因此第二段代码的自救行动失败了。

finalize（）能做的所有工作，使用try-finally或者其他方式都可以做得更好、更及时，所以笔者建议大家完全可以忘掉Java语言中有这个方法的存在。

在Java语言中，可作为GC Roots的对象包括下面几种：

1. 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，
也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

2. 方法区中类静态属性引用的对象。
3. 方法区中常量引用的对象。
4. 本地方法栈中JNI（即一般说的Native方法）引用的对象

再谈引用
在JDK 1.2以前，Java中的引用的定义很传统：如果reference类型的数据中存储的数值代表的是另外一块内存的起始地址，就称这块内存代表着一个引用。
在JDK 1.2之后，Java对引用的概念进行了扩充，将引用分为强引用（Strong Reference）、软引用（Soft Reference）、弱引用（Weak Reference）、虚引用（Phantom Reference）4种，这4种引用强度依次
逐渐减弱。

• 强引用就是指在程序代码之中普遍存在的，类似“Object obj=new Object（）”这类的引用，只要强引用还存在，垃圾收集器永远不会回收掉被引用的对象。
• 软引用是用来描述一些还有用但并非必需的对象。对于软引用关联着的对象，在系统将要发生内存溢出异常之前，将会把这些对象列进回收范围之中进行第二次回收。如果这次回收还没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。
• 弱引用也是用来描述非必需对象的，但是它的强度比软引用更弱一些，被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生之前。当垃圾收集器工作时，无论当前内存是否足够，都会回收掉只被弱引用关联的对象。

垃圾收集算法

标记-清除算法

算法分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有被标记的对象。
这样做的好处：
数组 a[10] 中存储了 8 个元素：a，b，c，d，e，f，g，h。现在，我们要依次删除 a，b，c 三个元素。
为了避免 d，e，f，g，h 这几个数据会被搬移三次，我们可以先记录下已经删除的数据。每次的删除操作并不是真正地搬移数据，只是记录数据已经被删除。当数组没有更多空间存储数据时，我们再触发执行一次真正的删除操作，这样就大大减少了删除操作导致的数据搬移。

它的主要不足有两个：一个是效率问题，标记和清除两个过程的效率都不高；另一个是空间问题，标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致以后在程序运行过程中需要分配较大对象时，无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。

复制算法

它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。
这样使得每次都是对整个半区进行内存回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效。只是这种算法的代价是将内存缩小为了原来的一半，未免太高了一点。

• 新生代中的对象98%是“朝生夕死”的，所以并不需要按照1:1的比例来划分内存空间，而是将内存分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次使用Eden和其中一块Survivor [1] 。
• 当回收时，将Eden和Survivor中还存活着的对象一次性地复制到另外一块Survivor空间上，最后清理掉Eden和刚才用过的Survivor空间。
• HotSpot虚拟机默认Eden和Survivor的大小比例是8:1，也就是每次新生代中可用内存空间为整个新生代容量的90%（80%+10%），只有10%的内存会被“浪费”。
• 当然，98%的对象可回收只是一般场景下的数据，我们没有办法保证每次回收都只有不多于10%的对象存活，当Survivor空间不够用时，需要依赖其他内存（这里指老年代）进行分配担保（Handle Promotion）。

标记-整理算法

• 复制收集算法在对象存活率较高时就要进行较多的复制操作，效率将会变低。更关键的是，如果不想浪费50%的空间，就需要有额外的空间进行分配担保，以应对被使用的内存中所有对象都100%存活的极端情况，所以在老年代一般不能直接选用这种算法。
• 标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。
  

分代收集算法

一般是把Java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。

标记-清除算法 （会产生空闲内存碎片）
标记-整理算法（防止产生内存碎片）
复制算法（效率最高，但是内存利用率低）
JVM 中新生代使用复制算法，老年代使用标记整理算法。

第7章：虚拟机类加载机制

/**
*被动使用类字段演示一：
*通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化
**/
public class SuperClass{
static{
System.out.println（"SuperClass init！"）；
}
public static int value=123；
}
public class SubClass extends SuperClass{
static{
System.out.println（"SubClass init！"）；
}
}
/**
*非主动使用类字段演示
**/
public class NotInitialization{
public static void main（String[]args）{
System.out.println（SubClass.value）；
}
}

上述代码运行之后，只会输出“SuperClass init！”，而不会输出“SubClass init！”。对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化，因此通过其子类来引用父类中定义的静态字段，只会触发父类
的初始化而不会触发子类的初始化。

/**
*被动使用类字段演示三：
*常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化。
**/
public class ConstClass{
static{
System.out.println（"ConstClass init！"）；
}
public static final String HELLOWORLD="hello world"；
}
/**
*非主动使用类字段演示
**/
public class NotInitialization{
public static void main（String[]args）{
System.out.println（ConstClass.HELLOWORLD）；
}
}

上述代码运行之后，也没有输出“ConstClass init！”

虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这就是虚拟机的类加载机制（运行时）。

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分统称为连接（Linking）

new一个对象发生了什么
java在new一个对象的时候，会先查看对象所属的类有没有被加载到内存，如果没有的话，就会先通过类的全限定名来加载。加载并初始化类完成后，再进行对象的创建工作。我们先假设是第一次使用该类，这样的话new一个对象就可以分为两个过程：加载并初始化类 和创建对象。

一、类加载过程（第一次使用该类）
java是使用双亲委派模型 来进行类的加载的，所以在描述类加载过程前，我们先看一下它的工作过程：
1、加载
2、验证
3、准备
4、解析
5、初始化（先父后子）
为静态变量赋值
执行static代码块
二、创建对象
1、在堆区分配对象需要的内存分配的内存包括本类和父类的所有实例变量，但不包括任何静态变量
2、对所有实例变量赋默认值将方法区内对实例变量的定义拷贝一份到堆区，然后赋默认值
3、执行实例初始化代码初始化顺序是先初始化父类再初始化子类，初始化时先执行实例代码块然后是构造方法
4、如果有类似于Child c = new Child()形式的c引用的话，在栈区定义Child类型引用变量c，然后将堆区对象的地址赋值给它需要注意的是，每个子类对象持有父类对象的引用 ，可在内部通过super关键字来调用父类对象，但在外部不可访问