JVM——内存分配

《深入理解Java虚拟机》出第三版了，工作一年多的时候看过第二版，重新复习一遍JVM

一、内存分配

JVM管理的内存包括5个运行时数据区域。

线程私有：程序计数器，虚拟机栈，本地方法栈
线程共享：堆，方法区

1、程序计数器PC

①程序计数器的作用

JVM中程序计数器是一块很小的内存空间，它可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

即Java文件编译成class文件后，会被编译成很多字节码指令，例如iadd，istore等，

程序计数器是用来记录当前线程正在执行的字节码指令的地址，如果执行的是本地方法，计数器为Undefined

它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等都是需要依靠PC来完成的

PS : CPU中也有一个PC寄存器，作用是保存下一条CPU指令的地址，默认是每次执行指令后+1。

②程序计数器的由来

JVM的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的（《操作系统原理》中进程调度策略：时间片轮转法），

单核处理器在一个时间片内，仅能处理一个线程中的字节指令，时间片结束后，进入下一个时间片，单核处理器会处理另一个线程的字节码指令，

为了线程切换后能恢复到正确的位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，独立存储--即程序计数器是线程私有的内存。

③内存溢出

程序计数器是唯一一个没有规定任何OutOfMemoryError情况的内存区域。

2、Java虚拟机栈

Java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。

① Java虚拟机栈的作用

虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，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、方法出口等信息。每个方法被调用直至执行完毕的过程，对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

② 局部变量表

局部变量表：存放编译期可知的各种Java虚拟机

基本数据类型（boolean，byte，char，short，int，float，long，double）、
对象引用类型（reference：指向对象起始地址的指针或者句柄）
returnAddress(指向一条字节码指令的地址)，

局部变量表是以槽(Slot)为单位表示的，Slot大小为32bit，PS：long与double大小是64bit，需要两个Slot存储，不具备原子性，不是线程安全的。

局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配的，即编译期已经固定了内存大小，运行期间不会改变局部变量表的大小。

//很有意思的问题，下面两种写法中，
//在编译期就已经确定了栈帧中局部变量表的大小
public void test(){
    for(int i = 0; i < 10000; i++){
        //这里不会创建10000个reference引用，每次超出作用域范围，旧的obj都会被覆盖
        //所以跟下面写法，区别不是很大，不会引起栈溢出
        //优点可能就是，尽可能缩小引用的作用域范围
        Object obj = new Object();
    }
}

public void test(){
    Object obj;
    for(int i = 0; i < 10000; i++){
        //这里引用的作用与范围，比上面要广
        //但是由于没有引用所以，object对象GC可能会快一点。
        obj = new Object();
    }
}

③内存溢出

虚拟机栈区域会出现两种异常状况

栈溢出：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的站深度，将抛出StackOverflowError异常

内存溢出：如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。

常见的HotSpot虚拟机栈是不可以动态扩展，所以不会由于扩展而导致的OOM异常，即只要线程申请栈空间成功之后就不会有OOM异常，申请栈失败还是会发生OOM异常的。

3、本地方法栈

本地方法栈返回的作用与虚拟机栈的作用非常类似，线程私有的，并且本地方法栈为仅为虚拟机用到的本地方法服务。

与虚拟机栈相同，本地方法栈也会出现栈溢出与内存溢出。

常见的HotSpot虚拟机将本地方法栈和虚拟机栈合二为一了。

4、堆

①堆的作用

Java Heap是JVM中所管理内存中最大的一块，是线程共享的。

Java Heap是在JVM启动时创建的，它的唯一作用就是存放对象实例。《Java虚拟机规范》中“所有的对象实例以及数组都应当在堆上分配”。

Java Heap是垃圾收集器管理的内存区域，所以也称为“GC堆”，GC后面学习

②TLAB

TLAB全称Thread Local Allocation Buffer，从分配内存的角度看，Java堆每个线程都会划分出当前线程私有的分配缓存区TLAB。

TLAB的作用就是保证A线程创建Object，B线程创建Object在堆中是内存隔离的。不会产生A创建一个Object对象，B也创建一个Object对象，两个Object对象是同一个情况。

PS:Java Heap的区域划分（老年代，新生代，TLAB）的目的：为了更好的回收内存，或者更快的分配内存。

③内存溢出

Java堆可以被实现为固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展实现的（通过-Xmx和-Xms设定）。

如果Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。

5、方法区

方法区跟Java堆一样，是线程共享的。

①方法区的作用

方法区用于存储被虚拟机加载的类型信息，常量，静态变量，即时编译器编译后的代码缓存等数据。

②关于永久代

永久代与方法区并不等价，由于HotSpot虚拟机设计团队选择吧收集器的分代设计扩展到方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，使得HotSpot的GC能够像管理Java堆一样管理这块内存区域，省去了为方法区编写内存管理代码的逻辑。其他虚拟机（如JRockit、IBM J9）实现并不存在永久代的概念。

当然HotSpot虚拟机的这种设计导致了Java应用更容易遇到内存溢出的问题（永久代有上限：-XX：MaxPermSize，不设置也会存在默认值，可能远小于本地内存）

因此，

JDK6HotSpot放弃了永久代，逐步改用本地内存来实现方法区

JDK7HotSpot已经把原本放在永久代的字符串常量池，静态变量等移出Java堆中

JDK8HotSpot完全废弃了永久代的概念，改用和JRockit、IBM J9一样用本地内存来实现的元空间Metaspace来代替，把JDK7中剩余的永久代内容（主要是类型信息）全部移到元空间中

以上版本的更替意味着：JDK8以后的HotSpot虚拟机的方法区一部分在Java堆中（字符串常量池，静态变量），一部分在元空间Metaspace中（类型信息）

③运行时常量池

运行时常量池时方法区的一部分。Class文件中除了类的版本信、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表，用来存放编译器生成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中

运行时常量池时方法区的一部分，会受到方法区大小的限制，当常量池无法在申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常

6、直接内存

直接内存不是虚拟机运行时数据区的一部分，但是这部分内存页被频繁的使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。

JDK1.4加入了NIO实现，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作（避免还要从堆外内存IOcopy到Java堆中）。

直接内存是堆外内存，Java堆内存+直接内存<物理内存，但通过-Xmx参数设置Java堆内存时，若忽略直接内存的考虑，Java堆内存<物理内存，可能出现Java堆内存+直接内存>物理内存，导致OOM异常。