《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（最新第二版）》第二章（二：虚hostSpot虚拟机对象的创建过程和内存分配）

向右看齐 2021-09-23 06:06 280阅读 0赞

## 《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（最新第二版）》第二章（一：虚hostSpot虚拟机对象的创建过程和内存分配） ##

### 文章目录 ###

*   *  《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（最新第二版）》第二章（一：虚hostSpot虚拟机对象的创建过程和内存分配）
     *   *  1、对象的创建
         *  2、对象的内存布局
         *  3、对象的访问定位
         *  4.实战OutOfMemoryError 异常
         *   *  4.1java堆溢出
             *  4.2虚拟机栈和本地方法栈溢出
             *  4.3方法区和运行时常量池溢出
             *  4.4本机内存直接溢出

### 1、对象的创建 ###

java是一门面向对象的编程语言，在java=程序运行过程中无时无刻都有对象呗创建出来。在语言层面上，创建对象（例如：克隆，反序列化）通畅仅仅需要一个new关键字，而在虚拟机中，对象（讨论的仅限于java普通对象，不包括数组和class对象等）的创建又是怎么样的一个过程呢？

虚拟机遇到一条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经被加载、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。

在类加载检车通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后，便可以完全确定，为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从java堆中划分出来，假设java中的内存是绝对规整的，所有用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所有分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边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）”**。如果java堆中的内存并不是规整的，已经使用的内存和空闲的内存相互交错，那就没有办法进行简单的指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可以用的，在分配的时候，从列表中找到一块足够大的空间划分对象实例，并更新列表上的记录，这种**分配方式称为“空闲列表（Free List）**”。选择哪种分配方式由java堆是否规整决定，而java堆是否有规整又是由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定的。因此，在使用Serial、ParNew、等待Compact过程的收集器时，系统通常采用空闲列表。

除如何划分可用空间之外，还有一个需要考虑的问题是对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使是仅仅修改一个真真所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的，可能出现正在给对象A分配内存，指针还没有来得及修改，对象B又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。解决这个问题有两种方案，一种是对分配内存空间的动作进行同步处理—实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；另一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间中进行，即**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区（Thread Loacl Allocation Buffer，TLAB）**。哪个线程需要分配内存，就在哪个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB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**

内存分配完成后，虚拟机将要分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），如果使用TLAb，这一工作过程也可以提前至TLAB分配时进行。这一步操作，保证了对象的实例字段在java代码中可以不赋是初始值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

接下来，虚拟机要对对象进行必要的设置，例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。这些信息存放在对象的对象头（Object Header）之中。根据虚拟机当前的运行状态的不同，例如：是否启用偏向锁等，对象头会有不用的设置方式。

’ 在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但从java程序的视角来看，对象创建才刚刚开始，init方法还没有执行，所有的字段都还是零。所以，一般来说执行new指令后，会接着执行init方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

### 2、对象的内存布局 ###

**在HostSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局分为3块区域：对象头（Object Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）**

HostSpot虚拟机的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、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32bit和64bit，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位、64位bitmap结构所能记录的限度，但是对象头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被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存存储尽量多的信息，它会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，如果对象处于未被锁定的状态下，那么Mark Word的32bit空间中的25bit用于存储对象的哈希码，4bit用于存储对象的分代年龄，2bit用于存储锁标志位，1bit固定为0，而在其他状态（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

![format_png][]

\*\*对象头的另外一个部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个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，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，运维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，但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。

接下来的实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是再程序代码中所定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的，还是再子类中定义的，都需要记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数（FieldsAllocationStyle）和字段在java源码中定义顺序的影响。HotSpot虚拟机默认的分配策略为longs/doubles、ins、shorts/chars、bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers），从分配策略中可以看出，相同宽度的字段总是被分配到一起。在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量出出现在子类之前。如果CompactFields参数值为true（默认为true），那么子类中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中。

**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字节的整倍数，换句话说，就是对象的大小必须是8字节的整倍数。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。

### 3、对象的访问定位 ###

建立对象是为使用对象，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，所有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，如图所示

![format_png 1][]

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方式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，如图所示

![format_png 2][]

这两种对象访问方式各有优势，使用句柄来访问的最大好处就是reference中储存的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。

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中非常的频繁，因此这类开销积小成多后也是一项非常可观的执行成本。就本书讨论的主题主要虚拟机Sun HostSpot而言，它就是使用第二种方式进行对象访问的，但从整个软件开发的范围来看，各种语言和框架使用句柄来访问的情况也十分常见。

### 4.实战OutOfMemoryError 异常 ###

**在java虚拟机规范中，除了程序计数器外，虚拟机内存的其他几个运行时区都有发生OutOfMemoryError异常的可能**

#### 4.1java堆溢出 ####

java堆用于存储对象实例，主要不断的创建对象，并且保证GC Roots 到对象之间有可达路径来避免垃圾回收机制清除这些对象，那么在对象数量到达最大堆的容量限制后，就会产生内存溢出异常。

将堆的最小值-Xms参数与最大值-Xmx参数设置成一样，避免堆自动扩展，通过-**XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError**可以让虚拟机出现内存溢出异常时候，dump出当前内存的快照以便事后分析

java堆内存的OOM异常是实际应用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；

/** * 堆内存溢出 * @author liqi * VM Args: * -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=/Users/liqi/Downloads */
    public class HeapOOM { 
    
        static class OOMObject{ }
        
        public static void main(String[] args) { 
            List<OOMObject> list = new ArrayList<>();
            while (true) { 
               list.add(new OOMObject());
            }
        }
    }

![format_png 3][]

要解决这个区域的异常，一般的手段先通过内存分析工具（Eclipse Memory Analyzer）对Dump出来的堆转储快照进行分析，**主要区分是内存泄漏（Memory Leak）还是内存溢出（Memory Overflow）；**

内存泄漏：进一步通过工具查询泄漏对象到GC Roots的引用链。可以分析出什么原因导致垃圾收集器无法回收它们，就可以准确的找到泄漏代码的位置。

内存溢出：就是内存中对象还活着，那就检查**虚拟机的堆参数**与物理内存的情况，是否还可以调大，检查代码的某些对象**生命周期是否过长**，**持有状态时间过长**等，减少程序运行期的内存消耗。

#### 4.2虚拟机栈和本地方法栈溢出 ####

在hostSpot虚拟机中，并不区分虚拟机栈和本地方法栈，因此，对于HostSpot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，栈容量是由-Xss参数设定。关于虚拟机栈和本地方法栈，在java虚拟机规范中描述两种异常：

1.  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。
2.  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。

定义互相重合：当栈空间无法继续分配时，到底是内存太小，还是已经使用的栈空间太大，本质上是对同一件事的两种描述。

测试代码就不写了，基本上测试个递归就可以出来

使用-Xss参数减少栈内存容量，结果：StackOverflowError异常，异常输出的堆栈深度相应缩小

定义了大量本地变量，增大此方法帧中本地变量表的长度，结果StackOverflowError异常，异常时输入的堆栈深度相应缩小。

#### 4.3方法区和运行时常量池溢出 ####

\-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法区大小

使用String.intern()产生大量运行时常量，就会常量池溢出

使用反射或者动态代理，jsp页面等的操作，在运行时，大量产生类的信息存入方法区，就会导致方法区溢出

#### 4.4本机内存直接溢出 ####

\-XX:MaxDirectMemorySize 指定，如果不指定，则默认与java堆最大值（-Xmx指定）一样；

本文内容来源于《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（最新第二版）》的读书笔记，供大家参考学习

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