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众所周知，JVM拥有自动内存管理机制，对于Java来说，不再需要程序员手动去管理内存。

运行时数据区域

JVM在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。如下图所示

程序计数器

问：是什么？

答：程序计数器是一块较小的内存空间，是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

问：特点是？

答：是”线程私有“的内存区域。如果线程执行的是一个Java方法，那么计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果是本地方法，计数器值为空。此内存区域是唯一一个没有规定任何 OutOfMemoryError情况的区域。

问：作用是？

答：字节码解释器工作时通过改变程序计数器的值来选取下一条要执行的字节码指令。所以程序计数器是程序控制流的指示器，所有的分支、循环、异常处理、跳转、线程恢复这种基础功能都需要依赖于程序计数器。

问：为什么是线程私有的？

答：因为Java虚拟机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实现的，在任何的时刻，一个处理器都只会执行一条线程中的指令，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，所以每条线程都有一个独立的程序计数器，各自互不影响。

Java虚拟机栈

问：是什么？

答：虚拟机栈是Java方法执行的线程内存模型，用来存储栈帧。每个方法被执行的时候，Java虚拟机会同步创建一个栈帧来存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每个方法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。

问：特点是？

答：1、线程私有 2、生命周期与线程相同。

3、如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；

4、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。

问：作用是？

答：存放执行方法时创建的栈帧

问：什么是栈帧？

答：栈帧是方法运行期很重要的基础数据结构。

问：局部变量表又是什么？

答：局部变量表存放了编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它并不等同于对象本身，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者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）。

这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，其中64位长度的long和double类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。

局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。（这里说的“大小”是指变量槽的数量，虚拟机真正使用多大的内存空间【比如按照1个变量槽占用32个比特、64个比特，或者更多】来实现一个变量槽，这是完全由具体的虚拟机实现自行决定的事情。）

本地方法栈

问：是什么？

答：存储本地方法执行时创建的栈帧。

问：和虚拟机栈的相同点不同点？

答：

相同点

1、本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

2、线程私有、生命周期与线程相同。

不同点

1、虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的 Native 方法服务。

2、虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。

Java堆

问：是什么？

答：用来存放对象实例的内存区域。

问：特点是？

答：线程共享。

1、线程共享

2、Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但在逻辑上它应该被视为连续的，这点就像我们用磁盘空间去存储文件一样，并不要求每个文件都连续存放。但对于大对象（典型的如数组对象），多数虚拟机实现出于实现简单、存储高效的考虑，很可能会要求连续的内存空间。

3、Java堆既可以被实现成固定大小的，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来实现的（通过参数-Xmx和-Xms设定）。如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

问：是什么？

答：用于存储已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的内存区域。

问：方法区=永久代？

答：错。这两者不等价，因为仅仅是以前HotSpot虚拟机设计团队选择把收集器的分代设计扩展至方法区，使用永久代来实现方法区而已。

问：特点是？

答：线程共享。

运行时常量池

问：是什么？

答：是方法区的一部分。常量池表放在方法区的常量池中。常量池表用于存放编译器生成的各种字面量与符号引用。

问：特点是？

答：运行时常量池具备动态性，并非预置入class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可以把新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern（）方法；当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

HotSpot虚拟机对象

对象的创建

1、当虚拟机遇到一条字节码new指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。若没有则先执行相应的类加载过程。

2、类加载检查过后，虚拟机将为对象分配内存。（对象所需内存大小在类加载完成后便可以确定），分配内存的任务实际上等同于把一块确定大小的内存块从Java堆中划分出来。

3、内存分配完成后，虚拟机必须将分配到的内存空间（不包括对象头）初始化为零值。这步操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，使程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

4、虚拟机对对象进行必要设置，比如这个对象是哪个类的实例、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。把这些信息存放在对象的对象头(Object Header)之中。根据虚拟机当前运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。

以上步骤完成后，在虚拟机的视角一个新的对象已经产生了。但从程序的视角，对象的创建才刚开始，因为构造函数还没执行，Class文件中的init方法也还没有执行，所有的字段都是默认的零值。对象需要的其他资源和状态信息还没有按照预定的意图构造好。一般来说，new指令之后会接着执行init方法，按照程序员的意愿对对象进行初始化，这样一个真正可用的对象才能算完全构造出来。

问：内存是如何从堆中划分给对象的？

答：分两种情况。

堆中内存是绝对规整的

因为内存是规整的，所以被使用过的内存都被放在一边，空闲的内存被放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间方向挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为“指针碰撞”(Bump The Pointer)。

堆中内存并不是规整的

这种情况已被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录，这种分配方式称为“空闲列表”(Free List)。

问：虚拟机是怎么判定堆内存是否规整的？

答：由垃圾收集器是否带有空间压缩整理(Comp act)的能力决定。当使用Serial、ParNew等带压缩整理过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，既简单又高效;而当使用CMS这种基于清除

(Sweep)算法的收集器时，理论上就只能采用较为复杂的空闲列表来分配内存。

问：虚拟机中对象创建是线程安全的吗？

答：不是，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情况。

问：如何解决创建对象的线程安全问题？

答：有两种方案。

对分配内存空间的动作进行同步处理

虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性

把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行

每个线程在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)，哪个线程要分配内存，就在哪个线程的本地缓冲区中分配，只有本地缓冲区用完了，分配新的缓存区时才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过 -XX:+/-UseTLAB参数来设定。

对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中，对象在堆内存中的存储布局可以划分为三部分：对象头、实例数据和对齐填充。

对象头

对象头部分包括两类信息。

第一类是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，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32个比特和64个比特，官方称它为“Mark Word”。

对象需要存储的运行时数据很多，其实已经超出了32、64位Bitmap结构所能记录的最大限度，但对象头里的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被设计成一个有着动态定义的数据结构，以便在极小的空间内存储尽量多的数据，根据对象的状态复用自己的存储空间。例如在32位的HotSpot虚拟机中，如对象未被同步锁锁定的状态下，Mark Word的32个比特存储空间中的25个比特用于存储对象哈希码，4个比特用于存储对象分代年龄，2个比特用于存储锁标志位，1个比特固定为0

在其他状态(轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向)下对象的存储内容如下表所示。

第二类是类型指针，就是对象指向它的类型元数据的指针，Java虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。并不是所有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一定要经过对象本身。此外，如果对象是一个Java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通 Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是如果数组的长度是不确定的，将无法通过元数据中的信息推断出数组的大小。

实例数据

实例数据部分是对象真正存储的有效信息，即我们在程序代码里面所定义的各种类型的字段内容，无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的字段都必须记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数(-XX:FieldsAllocationStyle参数)和字段在Java源码中定义顺序的影响。

对齐填充

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虚拟机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，换句话说就是任何对象的大小都必须是8字节的整数倍。对象头部分已经被精心设计成正好是8字节的倍数(1倍或者2倍)，因此，如果对象实例数据部分没有对齐的话，就需要通过对齐填充来补全。

对象的访问定位

创建了对象之后，我们后续如何去使用对象呢？程序会通过栈上的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》里面只规定了它是一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过什么方式去定位、访问到堆中对象的具体位置，所以对象访问方式也是由虚拟机实现而定的，主流的访问方式主要有使用句柄和直接指针两种:

如果使用句柄访问的话，Java堆中将可能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具体的地址信息，结构如下图所示。

如果使用直接指针访问的话，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中存储的直接就是对象地址，如果只是访问对象本身的话，就不需要多一次间接访问的开销，如下图所示。

使用直接指针来访问最大的好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多也是一项极为可观的执行成本，就HotSpot而言，它主要使用第二种方式进行对象访问(有例外情况，如果使用了Shenandoah收集器的也会有一次额外的转发)，但从整个软件开发的范围来看，在各种语言、框架中使用句柄来访问的情况也十分常见。

堆溢出排查

Java堆内存溢出

概述

1、在Java虚拟机规范的描述中，除了程序计数器外，虚拟机内存的其他几个运行时区域都可能发生OutOfMemoryError异常

Java堆溢出

Java堆用于储存对象实例，只要不断的创建对象，并且保证GC Roots到创建对象之间有可达路径来避免垃圾回收机制清除这些对象，那么在对象数达到堆的容量限制后就会产生内存溢出异常。
Java堆内存的OOM异常是实际中常见的内存溢出情况，当出现Java堆内存溢出时，异常堆栈信息：java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

代码

设置虚拟机启动参数

Xms与-Xmx参数设置为一样可避免堆自动扩展
XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError参数可以让虚拟机在出现内存溢出时Dump出当前的内存堆转储快照以便事后进行分析

package com.java.one;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * Java堆溢出
 * VM Args: -Xms20M -Xmx20M -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 * */
public class HeapOOM {
    static class OOMObjec {
    }

    public static void main(String[] args) {
        List<OOMObjec> list = new ArrayList<>();
        while (true) {
            list.add(new OOMObjec());
        }
    }
}

解决异常

查看堆栈信息，根据经验解决
根据内存映像分析工具解决常规异常

通过内存映像分析工具（如eclipse Memory Analyser）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否是必要的 – 即要先分清楚到底是出现了内存泄漏（Memory Leak）还是内存溢出（Memory Overflow）

1、内存泄露 – 是指对象在申请内存后，无法释放已申请的内存空间，一直占据

如果是内存泄漏，可进一步通过工具查看对象到GC Roots的引用链，就能查找到泄漏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。掌握了泄漏对象的类型信息及GC Roots引用链的信息，就可以比较准确的定位出泄漏代码的位置。

2、内存溢出 – 是指对象在申请内存时，没有足够的内存空间供其使用，出现OOM

如果不存在泄漏，换句话说，就是内存中的对象都还必须活着：

应该检查虚拟机的堆参数（-Xmx与-Xms）设置,查看设置是否过小（比机器物理内存对比）
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情况，尝试减少程序运行期的内存消耗

虚拟机栈和本地方法栈溢出

概述

HotSpot虚拟机直接把虚拟机栈和本地方法栈合二为一，因此对于HotSpot来说，虽然-Xoss参数（设置本地方法栈大小）存在，但实际上是无效的，栈容量只由-Xss参数设定

StackOverflowError

如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，将抛出StackOverflowError异常

package com.java.one;

/**
 * 栈深度大于虚拟机所允许最大深度导致StackOverflowErroe
 * 以单线程为例
 * VM Args: -Xss128K(-Xss虚拟机栈)
 * */
public class JavaVMStackSOF {
    private int stackLength = 1;

    public void stackLeak () {
        stackLength++;
        stackLeak();
    }

    public static void main(String[] args) {
        JavaVMStackSOF javaVMStackSOF = new JavaVMStackSOF();
        try {
            javaVMStackSOF.stackLeak();
        } finally {
            System.out.println("栈深度stackLength: " + javaVMStackSOF.stackLength);
        }
    }
}

打印异常信息：

栈深度stackLength: 997
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
    at com.java.one.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:13)
    at com.java.one.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:14)
    at com.java.one.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:14)
    at com.java.one.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:14)
    at com.java.one.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:14)
    at com.java.one.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:14)
。。。

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（这里Xss为128K），当内存无法分配时，虚拟机抛出的都是StackOverflowError异常

OutOfMemoryError

如果虚拟机在扩展时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常多线程下的内存溢出与栈空间是否足够大并不存在任何联系，换句话说，操作系统内存大小是有限制的，每个线程的栈分配的内存越大，可建立的线程数就越少，反而越容易产生内存溢出操作系统分配内存=Xmx（堆最大容量）+MaxPermSize（方法区最大容量）+程序计数器消耗内存+虚拟机进程消耗内存+虚拟机栈和本地方法栈消耗内存

package com.java.one;

/**
 * 创建线程导致内存溢出异常
 * VM Args: -Xss2M(虚拟机栈容量Xss不妨设置大一些,可建立线程数就越少)
 * 操作系统分配内存=Xmx（堆最大容量）+MaxPermSize（方法区最大容量）+程序计数器消耗内存+虚拟机进程消耗内存+虚拟机栈（本地方法栈）消耗内存
 * */
public class JavaVMStackOOM {
    private void dontStop () {
        while (true) {

        }
    }

    public void stackLeakByThread () {
        while (true) {
            // 创建一个线程
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    dontStop();
                }
            });
            // 启动线程
            thread.start();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        JavaVMStackOOM javaVMStackOOM = new JavaVMStackOOM();
        javaVMStackOOM.stackLeakByThread();
    }
}

建立多线程导致内存溢出，在不能减少线程或更换64位虚拟机的情况下，只能通过减少堆最大容量和减少栈容量来换取更多的线程

方法区和运行时常量池溢出

概述

运行时常量池是方法区（永久代）的一部分参数-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法区的大小，从而间接限制了常量池的大小。

JDK6及之前的版本中，字符串常量池在永久代中
已发布的JDK7的HotSpot中，已经把原本放在永久代中的字符串常量池移出。

运行时常量池导致的内存溢出异常

String.intern是一个Native方法，作用：

如果字符串常量池中已经包含一个等于String对象的字符串，则返回常量池中这个字符串的String对象
如果不包含，则将此String对象包含的字符串添加到常量池中，并返回此String对象的引用。

package com.java.one;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * 运行时常量池导致的内存溢出异常
 * VM Args: -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=20M
 * */
public class RuntimeConstantPoolOOM {

    public static void main(String[] args) {
        // 使用List保持着常量池的引用，避免Full GC回收常量池的行为
        List<String> list = new ArrayList<>();
        int i = 0;
        while (true) {
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}

JDK6及以前，内存溢出OOM,说明运行时常量池属于方法区的一部分
JDK7及以后，没有OOM,while循环将一直进行下去

String.intern()返回引用的测试

package com.java.one;

/**
 * String.intern()返回引用的测试
 * */
public class RuntimeConstantStringIntern {

    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);
    }
}

JDK8中String.intern()返回的是在字符串常量池中首次出现的实例的引用，字符串“计算机软件”是第一次出现，所以返回true，而”java”之前就出现过，与现在创建的”java”字符串引用已经不同了，返回false。

借助CGLib使方法区出现内存溢出异常

package com.java.one;

import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy;

/**
 * 借助CGLib使方法区出现内存溢出异常
 * 借助CGLib直接操作字节码运行时产生大量的动态类
 * VM Args: -XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
 * */
public class JavaMethodAreaOOM {
    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            Enhancer enhancer = new Enhancer();
            enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);
            enhancer.setUseCache(false);
            enhancer.setCallBack(new MethodInterceptor() {
                public Object intercept (Object obj, Method method, Object[] args, MethodProxy proxy) {
                    return proxy.invokeSuper(obj, args);
                }
            });
            enhancer.create();
        }
    }

    static class OOMObject {

    }
}