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自动内存管理机制

Java内存区域与内存溢出异常

运行时数据区域

程序计数器

线程私有空间，用于存放下一条指令所在单元地址的地方。每执行一条指令，程序计数器就会加1。

Java 虚拟机栈

线程私有空间，由许多栈帧组成，方法调用时会将当前方法对应栈栈帧压入虚拟机栈，每个栈帧包括局部变量表、操作数栈、动态链接、以及方法返回地址。

本地方法栈

线程私有空间，当线程调用本地方法时，会在本地方法栈中压入当前本地方法的栈帧。

Java 堆

所有线程共享的区域，用于存放大部分的对象实例及数组。

方法区

所有线程共享的区域，用于存放类信息、常量、静态变量、JIT 即时编译器编译后的机器代码等数据。JDK 1.8之前是永久代（持久代），JDK 1.8之后使用元空间替代永久代。

运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分，用于存放Class文件的常量池表。

直接内存

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，但是这部分内容也会被频繁使用，因为 Java 在1.4之后加入了 NIO，允许 Java 程序直接分配堆外内存，当使用的堆外内存突破物理机的总内存大小时，也会发生 OutOfMemoryError 异常。

HotSpot 虚拟机对象探秘

对象的创建

1. 检查创建指令在常量池中是否有类的信息，并且检查类是否已经加载、解析、初始化，如果没有则执行类加载过程；
2. 在 Java 堆中为对象分配内存空间；
   • 分配方式：指针碰撞或空闲列表，跟垃圾收集器相关
   • 线程安全：CAS 重试或本地线程分配缓冲（Thread Local Allocate Buffer，TLAB）
3. 初始化内存空间，将其初始化为零值；
4. 设置对象的对象头；
5. 调用类的构造函数。

对象的内存布局

1. 对象头，由以下三部分组成：
   • 运行时数据：哈希码、GC 年龄分代、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等；
   • 类型指针，即对象指向类型元数据的指针；
   • 数组长度，当对象是 Java 数组时会存储。
2. 实例数据，在 Java 程序代码中所定义的各种类型字段内容，包含父类中的内容；
3. 对齐填充，填充为8的倍数。

对象的访问和定位

1. 通过句柄访问，Java 虚拟机栈的局部变量表中会保存一个 reference，指向 JVM 堆中的句柄池，句柄池中的句柄保存了对象实例数据的指针和对象类型数据的指针。优点：当对象频繁移动时，只需要修改句柄中的实例数据指针，不需要修改本地变量表中的 reference。

2. 通过直接指针访问，Java 虚拟机栈的局部变量表中会保存一个 reference，直接指向对象的实例数据，对象的实例数据中会保存对象类型数据的指针。优点：访问对象速度快，只需要一次指针定位，HotSpot 虚拟机就是使用直接指针。

实战：OutOfMemoryError异常

Java堆溢出

1. “Java.lang.OutOfMemoryError：Java heap space”，堆中大量的对象未回收导致的。

虚拟机栈溢出和本地方法栈溢出

1. “Java.lang.StackOverflowError”，单线程情况下，新的栈帧内存无法分配，会抛出这个异常：
   • 栈帧太大，单个栈所需的内存超过-Xss设置的大小，Linux 228K；
   • 虚拟机栈容量太小时，一般是递归导致超过栈的深度导致的。
2. “Java.lang.OutOfMemoryError”: unable to create native thread, possibly out of memory or process/resource limits reached
   • 多线程情况下，由于达到了操作系统内存限制，无法再创建新线程时会抛出这异常。

方法区和运行时常量池溢出

1. 使用 String.intern()创建大量字符串常量触发，在 JDK 1.6中，持久代内存溢出：”Java.lang.OutOfMemoryError：PermGen space”，在 JDK 1.7及以后的版本中，”Java.lang.OutOfMemoryError：Java heap space”，堆内存溢出
2. 使用 CGLib 字节码增强技术来运行时生成大量的动态类，在 JDK 1.7 中触发”Java.lang.OutOfMemoryError：PermGen space”异常

本机直接内存溢出

1. 在 JDK 1.4版本中，加入了 NIO，允许 Java程序直接申请操作系统内存，当大量使用 NIO 的 DirectByteBuffer 申请内存时，会触发本机直接内存溢出，通过Unsafe.allcateMemory()来触发”Java.lang.OutOfMemoryError”。如果内存溢出后产生的Dump 文件很小，操作系统内存占用又很大，程序中又直接或间接的使用了NIO，可以考虑重点检查一下直接内存方面的原因。

垃圾收集器与内存分配策略

对象已死吗

引用计数算法

缺点：当对象间存在循环引用时，无法正确回收对象

可达性分析算法

通过一系列成为”GC ROOT”的根对象作为起始节点，根据引用关系向下搜索，当 GC ROOTS 到某个对象不可达时，证明这个对象是不可能被使用的。

可以作为 GC ROOT 的对象：

1. 虚拟机栈中引用的对象；
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 引用的对象；
5. Java 虚拟机内部的引用；
6. 所有被同步锁（synchronized）持有的对象；
7. 反映 Java 虚拟机内部情况的一些对象（JMXBean、JVMTI中注册的回调、本地代码缓存）。

再谈引用

1. 强引用（Strongly Reference），典型强引用的是 Object obj = new Object()；只要强引用关系存在，对象永远不会被回收。
2. 软引用（Soft Reference），用来描述一些还有用，但是非必须的对象，在系统将要发生内存溢出先，将会把只被软引用的对象列入回收范围进行第二次回收，如果这次回收之后仍没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。
3. 弱引用（Weak Reference），用来描述那些非必须的对象，只被弱引用的对象在下一次垃圾回收中一定会被回收。
4. 虚引用（Phantom Reference），最弱的一种引用关系，不会影响对象的生存时间，设置虚引用的目的只是为了在对象被回收时收到通知。

使用非强引用在很多情况下可以避免出现 OutOfMemoryError，但是过量使用也会对 GC 造成严重的影响，反而会降低系统性能。
在实际开发过程中，需要及时处理非强引用对象。

详情可参考：https://www.jianshu.com/p/13cfd631ad5e

生存还是死亡

对象在标记为不可达之后，并不会立即回收，虚拟机会判断是否有必要执行对象的 finalize() 方法，当对象重写了 finalize() 方法并且该方法未被执行过时，虚拟机会将对象放入 F-Queue 队列中，由另一个低优先级的 Finalizer 线程去执行队列中对象的 finalize() 方法，稍后收集器将会对 F-Queue中的对象进行二次标记，如果对象到 GC ROOT仍然不可达，将会被回收。

但是虚拟机不一定会等到 finalize() 方法结束后再回收它，是为了避免在 finalize() 方法中卡死了影响队列中其他的对象回收。
因为 finalize（）方法运行成本过高，且不易管控，在 Java 程序中，不推荐重写 finalize() 方法，需要使用的话，可以用 try-catch 代替。

回收方法区

主要是回收方法区中的废弃的常量和不再使用的类型，

1. 废弃的常量，当常量池中的某个常量不再被任何 Java 对象引用，且虚拟机中也没有其他地方引用这个常量，当发生垃圾回收时，且收集器判断确有必要，将会把这个常量清理出常量池。

2. 不再使用的类型，需要满足以下三个条件，

   • 该类型的所有实例都已被回收；
   • 该类型的类加载器已经被回收；
   • 该类型对应的 java.lang.class 对象没有在任何地方被引用。

   满足以上三个条件的类型，将被允许回收，但是并不是必然会被回收，可以通过 -Xnoclassgc 来控制是否对类型进行垃圾回收。在大量使用反射、动态代理、CGlib 等字节码框架，动态生成 JSP 等场景中，需要 Java 虚拟机具备类型卸载能力。

垃圾收集算法

分代收集理论

收集器应该将 Java 堆划分出不同的区域，然后根据回收对象的年龄，将其分配到不同的区域之中存储，垃圾收集器可以每次只回收某一个或者某些部分的区域。

1. 弱分代假说：绝大多数对象是朝生夕灭的。
2. 强分代假说：能熬过越多轮垃圾回收的对象，越难消亡。
3. 跨代引用假说：跨代引用相对于同代引用来说仅占极少数。
   • 针对跨代引用，会在新生代中建立一个全局的记忆集（Remembered Set），标识出老年代中的哪一块区域会存在跨代引用，在发生 Minor GC 时，只需要把老年代中这一小块内存中的对象加入 GC ROOT 进行扫描就行。

标记-清除算法

首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后，统一回收掉所有被标记的对象，也可以反过来，标记出存活的对象，统一回收所有未被标记的对象。
缺点：1.执行效率不稳定，如果 Java 堆中包含大量对象，而其中大部分是需要回收的，这时必须进行大量的标记和清除动作，导致标记和清除的过程执行效率降低；2.会使内存空间碎片化，标记、清除会产生大量不连续的内存碎片。

标记-复制算法

先标记出一个半区中所有存活的对象，然后将存活的对象复制到另一个半区的内存空间上，再将已使用过的内存空间一次清理掉，这样就不需要考虑内存空间碎片的问题，
缺点：1.将可用内存缩小为原来的一半；2.在对象存活率较高时需要进行较多的复制操作，效率会降低。

改进： “Appel”式回收，将内存空间分为一块较大的 Eden 区和两块较小的 Survivor 区，每次分配内存只使用 Eden 和其中一块 Survivor 区，发生垃圾回收时，将 Eden 和一块 Survivor 区中存活的对象一次性复制到另一块 Survivor 区中，然后清理掉 Eden 区和一块 Survivor 区。

分配担保机制：当 Survivor1 区没有足够的空间存放一次 Minor GC 之后存活对象时，这些对象将通过分配担保机制来提前进入老年代。

标记-整理算法

先标记所有存活的对象，再将所有存活的对象都想内存空间的一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存。
缺点：1.在有大量对象存活的区域，需要大量的移动对象，必须全程暂停用户程序才能进行（Stop The World）

但如果像标记-清除算法那样不考虑移动和整理存活对象的话，会产生内存碎片，在每次对象分配内存的时候，需要通过一个分区空闲分配链表来解决内存分配问题。

这是一个两难的选择，移动对象，垃圾回收的时间会增加，不移动对象，内存分配时会更复杂，但是从全局来看，内存的分配和访问比垃圾回收更频繁，所以即使移动对象，整体的吞吐量还是上升的。

CMS收集器：在大多数时候使用标记-清除算法，当内存碎片率达到一定比例时，进行一次标记-整理算法收集。

HotSpot 的算法实现

根节点枚举

安全点

安全区域

记忆集与卡表

写屏障

并发的可达性分析

经典垃圾收集器

1. Serial 收集器
   使用标记-整理算法
2. ParNew 收集器
   使用标记-整理算法
3. CMS 收集器
   使用标记-清除算法

内存分配与回收策略