前言最近開始看這本書，記得前段時間拿起這本書的時候，心情是相當沉重的！當時的劇本是這樣的—— 內景。家裡下午我（畫外）：唉，有點無聊啊！（偶然撇過書架）這麼多書得看到什麼時候啊，要不要拿一本翻翻呢？但是在家裡好像有點看不下去啊，是太安逸了嗎？最近那本《圖解 HTTP》也還沒看完，感覺暫時有點不 ...

前言

最近開始看這本書，記得前段時間拿起這本書的時候，心情是相當沉重的！當時的劇本是這樣的——

內景。家裡 - 下午
我（畫外）：唉，有點無聊啊！（偶然撇過書架）這麼多書得看到什麼時候啊，要不要拿一本翻翻呢？但是在家裡好像有點看不下去啊，是太安逸了嗎？最近那本《圖解 HTTP》也還沒看完，感覺暫時有點不想看了。（走到書架前）還是挑幾本優先順序比較高的帶到███下班的時候看吧。（沉思）嗯，這本帶過去~

當我拿起《深入理解 Java 虛擬機》這本書的那一刻，心裡咯噔一下——唉，PM10 濃度又上升了，地球環境越來越差了啊，萬惡的地球人！

正文

一、運行時數據區域

Java 虛擬機在執行 Java 程式時，會把它所管理的記憶體劃分為若幹個不同的數據區域。這些區域都有各自的用途，以及創建和銷毀時間。

1、程式計數器

是一塊較小的記憶體空間，可以看作是當前線程所執行的位元組碼的行號指示器。在虛擬機的概念模型里，位元組碼解釋器就是通過改變這個計數器的值來選取下一條需要執行的位元組碼指令。
線程私有：為了線程切換後能恢復到正確的執行位置，因此每條線程都需要有一個獨立的程式計數器。
唯一一個不會出現 OutOfMemoryError 異常的區域。

2、Java 虛擬機棧

虛擬機棧描述的是 Java 方法執行的記憶體模型：Java 方法在執行時會創建一個棧幀，用於存儲局部變數表、操作數棧、動態鏈接、方法出口等信息。每個方法從調用到執行完成的過程，就對應著一個棧幀在虛擬機棧中入棧到出棧的過程。
線程私有。
會出現 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 異常。
- StackOverflowError：線程請求的棧深度大於虛擬機所允許的深度，將拋出該異常。
- OutOfMemoryError：虛擬機棧動態擴展時無法申請到足夠的記憶體，將拋出該異常。

3、本地方法棧

作用與虛擬機棧相似，只不過虛擬機棧為虛擬機執行 Java 方法（位元組碼）服務，而本地方法棧為虛擬機執行 Native 方法服務。
線程私有。
會出現 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 異常。

4、Java 堆

Java 虛擬機所管理的記憶體中最大的一塊，用於存放對象實例。它是垃圾收集器管理的主要區域，也被稱為"GC堆”。
可細分為新生代和老年代，新生代又可細分為 Eden 空間、From Survivor 空間、To Survivor 空間。
線程共用。
會出現 OutOfMemoryError 異常。

5、方法區

用於存儲已被虛擬機載入的類信息、常量、靜態變數、即時編譯器編譯後的代碼等數據。別名 Non-Heap（非堆）。
也被稱為“永久代”，因為 HotSpot 虛擬機使用永久代來實現方法區，但本質上兩者並不等價。
PS：JDK1.8 已經徹底移除了永久代，改用元空間實現方法區。元空間使用的是直接記憶體。
線程共用。
會出現 OutOfMemoryError 異常。

6、運行時常量池

是方法區的一部分，用於存放編譯期生成的各種字面量和符號引用。
PS：JKD1.7 已經從方法區移到了 Java 堆中。
線程共用。
會出現 OutOfMemoryError 異常。

7、直接記憶體

不是虛擬機運行時數據區的一部分，也不是 Java 虛擬機規範中定義的記憶體區域。但是這部分記憶體也被頻繁使用。
會出現 OutOfMemoryError 異常。

二、HotSpot 虛擬機對象探秘

1、對象的創建

類載入檢查 -> 分配記憶體 -> 初始化零值 -> 設置對象頭 -> 執行 init 方法

（1）類載入檢查

虛擬機遇到 new 指令時，會先檢查這個指令的參數能否在常量池中定位到一個類的符號引用，以及這個符號引用代表的類是否已被載入、解析和初始化過。如果沒有，就必須先執行相應的類載入過程。

（2）分配記憶體

對象所需記憶體的大小在類載入完成後便可確定，為對象分配記憶體空間等同於把一塊確定大小的記憶體從 Java 堆中劃分出來。

分配記憶體的兩種方式：

指針碰撞： Java 堆中記憶體規整時，將用過的記憶體放在一邊，空閑的記憶體放在另一邊，中間放一個指針作為分界點的指示器。分配記憶體時，只需把那個指針向空閑記憶體那邊，移動一段與對象大小相等的距離即可。
空閑列表： Java 堆中記憶體不規整時，虛擬機通過維護一個列表，記錄哪些記憶體塊是可用的。在分配時從列表中找出一塊足夠大的空間劃分給對象實例，並更新列表上的記錄。

Java 堆是否規整（是否有記憶體碎片），由所採用垃圾收集器的演算法所決定。“標記-清除”演算法會產生記憶體碎片，而“標記-整理”和複製演算法則不會。

如何保證分配記憶體的線程安全：

CAS 同步機制：採用 CAS 配上失敗重試的方式保證更新操作的原子性。
本地線程分配緩衝（TLAB）：每個線程在 Java 堆中預先分配一小塊記憶體（TLAB），線程要分配記憶體時，先在 TLAB 上分配，TLAB 用完後再採用 CAS 同步機制進行分配。

（3）初始化零值

將分配到的記憶體空間初始化為零值（不包括對象頭），保證對象的實例欄位在 Java 代碼中可以不賦初始值就直接使用。

（4）設置對象頭

虛擬機需要對對象進行必要的設置，例如這個對象是哪個類的實例、如何找到類的元數據信息、對象的哈希碼、對象的 GC 分代年齡等。這些信息存放在對象的對象頭中。

（5）執行 init 方法

把對象按照程式員的意願進行初始化。

2、對象的記憶體佈局

HotSpot 虛擬機中，對象在記憶體中存儲的佈局可分為 3 塊區域：對象頭、實例數據和對齊填充。

（1）對象頭

對象頭包含兩部分信息：

Mark Word：用於存儲對象自身的運行時數據，如哈希碼、GC 分代年齡、鎖狀態標誌、線程持有的鎖、偏向線程 ID、偏向時間戳等。
類型指針：對象指向它的類元數據的指針，虛擬機通過這個指針來確定對象是哪個類的實例。

（2）實例數據

對象真正存儲的有效信息，也是在程式代碼中所定義的各種類型的欄位內容。

（3）對齊填充

僅僅起著占位符的作用，不是必然存在的，也沒有特別的含義。

由於 HotSpot 虛擬機的自動記憶體管理系統，要求對象起始地址必須是 8 位元組的整倍數，換句話說，對象的大小必須是 8 位元組的整倍數。而對象頭部分正好是 8 位元組的整倍數，因此，當對象實例數據部分沒有對齊時，就需要通過對齊填充來補全。

3、對象的訪問定位

Java 程式需要通過棧上的 reference 數據來訪問堆上的具體對象。目前主流的訪問方式有句柄和直接指針兩種。

（1）句柄

reference 中存儲的是對象的句柄地址。
Java 堆中劃分出一塊記憶體作為句柄池，句柄中包含了對象實例數據與類型數據各自的具體地址信息。
好處：reference 中存儲的是穩定的句柄地址，在對象被移動時只會改變句柄中的實例數據指針，reference 本身不需要修改。

（2）直接指針

reference 中存儲的直接就是對象的地址。
Java 堆對象的佈局必須考慮如何放置訪問類型數據的相關信息。
好處：節省了一次指針定位的時間開銷，速度更快。

三、OutOfMemoryError 異常

Java 虛擬機中，除了程式計數器外，其他幾個運行時區域都有發生 OutOfMemoryError（OOM）異常的可能。

1、Java 堆溢出

異常堆棧信息：java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space。

異常原因：記憶體泄露、記憶體溢出。

記憶體泄露：存在 GC 無法回收的對象。
記憶體溢出：堆中存活對象過多。

異常處理：

通過工具查看泄露對象到 GC Roots 的引用鏈，從而定位出泄露代碼的位置。
調大堆參數（-Xmx、-Xms），例：-Xmx256m -Xms128m。
檢查代碼中是否存在對象生命周期過長的情況。

2、虛擬機棧和本地方法棧溢出

異常堆棧信息：java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread。

異常原因：創建線程過多。

操作系統分配給每個進程的記憶體是有限制的，因此每個線程分配到的棧容量越大（棧是線程私有的），可創建的線程數量就越少，創建線程時就越容易把剩下的記憶體耗盡。