04-内存分配

内存分配

当一个Class文件通过类加载器加载到虚拟机后，就是存放在内存区域，该内存区域又叫运行时数据区，具体的说应该是存放在内存区的方法区中，内存区域主要包括以下几块内容：

方法区（Method Area）：通常用来保存加载的类结构信息，通常也和元空间关联在一起（具体跟JVM实现和版本有关），是所有线程共享的区域
- JVM规范将方法区描述为一个逻辑部分，但有一个别名，非堆（Non-heap），为了与Java堆区分开
- 运行时常量池（Constant Pool）：是Class文件每个类或接口的常量池表，在运行期间的表示形式通常包括类的版本、字段、方法、接口等信息，通常在加载类和接口到JVM后就创建相应的运行时常量池
- 代码缓存区（Code Cache）：JVM将其字节码存储为本机代码的一块区域，主要放置的就是JIT（Just In Time）即时编译，或者是JNI（Java Native Interface）编译的用于和其他语言写的代码进行交互的代码
虚拟机栈（VM Stack）：虚拟机栈是由一系列栈帧组成，所以又叫帧栈，每个线程都有一个私有的帧栈；栈的存储速度比堆快，仅次于寄存器，但是栈中数据大小、生存期是在编译阶段决定、缺乏灵活性
- 栈帧：用来保存方法的局部变量、操作数栈（Java没有寄存器，所以参数传递使用操作数栈）、常量池指针、动态连接、方法返回值等；每次方法调用都会创建一个帧压入栈中，方法退出时修改栈顶指针即可将栈帧内容销毁
- 局部变量表：用来存放编译期可知的各种基本数据类型和引用数据类型，每个slot存放32位数据，long和double占两个slot
本地方法栈（Native Method Stack）：用来支持native方法执行的栈就是本地方法栈
堆（Heap）：用来存放应用系统创建的对象和数组，是所有线程共享的区域，GC主要管理的就是堆空间（对分代GC来说堆也是分代的），运行期动态分配内存大小，自动进行垃圾回收，但是效率相对较慢
程序计数器（Program Couter Register）：每个线程都有一个私有的程序计数器（创建线程时就相应创建了程序计数器），用来存储执行下一条指令地址，是一块很小的内存空间，是不会出现内存溢出的，若执行的是本地方法，程序计数器的值为undefined

栈、堆、方法区交互关系

在Java程序运行时，由虚拟机栈存放的局部变量表，局部变量可以是引用类型，该引用类型的指针指向堆中的某个对象，对象中又存储着元数据信息和实例数据信息，元数据信息又指向方法区中类的定义

堆内存

用来存放应用系统创建的对象和数组，是所有线程共享的区域

在JVM规范中在堆内存需要在逻辑上是连续的，堆内存大小可以是固定的也可以是可扩展的
Java堆是在运行期动态分配内存大小，自行进行垃圾回收，垃圾回收主要回收的就是堆内存，对分代GC来说堆也是分代的

堆的结构

共分成了两代，一代区域叫新生代，一代区域叫老年代

之前的持久代，用来存放Class、Method等元信息的区域，从JDK8就去掉了，取而代之的是元空间（MetaSpace）,元空间并不在虚拟机中，而是直接使用本地内存

新生代：存放新创建的对象，新生代又包含Eden区和存活区，这两个区域的比例可通过Survivor Ration进行设置
- Eden区：新创建对象会先放到该区域，之后转向存活区
- 存活区：又分为from区和to区，from区和to区大小相同，并且使用时只会单独使用from区或to区，之所以这样是因为在垃圾回收算法中的复制算法
老年代：当多次垃圾回收回收不掉的、需要存下的内容就会存放到老年代，以及新创建的大对象会直接存放到老年代中

对象内存布局

对象在内存中存储的布局分为（以HotSpot虚拟机为例）：对象头、实例数据和对齐填充

对象头包括标志词（Mark Word）和类型指针两个部分
- 标志词：存储对象自身的运行数据，比如：HashCode、GC分代年龄、锁状态标志等
- 类型指针：实例对象用来指向他的类元数据的指针
实例数据用来真正存放对象实例数据的地方
对齐填充：该部分比一定存在，也没有什么特别含义，仅仅是占位符，因为HotSpot要求对象其实地址都是八字节的真孰不，若不是就无法对齐

对象访问定位

在JVM规范中只规定了引用类型是一个指向对象引用，但没有规定引用具体如何定位、访问堆中对象的具体位置，因此对象的访问方式取决于JVM的实现，目前主流有使用句柄或指针两种方式

指针方式：Java堆中会存放访问类元数据的地址，引用就直接存储对象地址，对象头中的类型指针存储类元数据的地址（HotSpot虚拟机实现方式）
句柄方式：Java堆中会划分出一块内存来做为句柄池，引用中存储句柄地址，句柄中存储对象实例地址和类元数据的地址

Java内存分配参数

在JDK9以后修改了一些命令行参数，具体修改可从Oracle官网搜索Convert GC Logging Flags to Xlog关键字搜索到对应版本的该表对应查看即可，下面命令是JDK9以后的版本

IDEA中设置运行Java程序的参数，点击运行按钮左面的下拉框，选择Edit Configurations...进行程序运行配置，右侧找到VM options的输入框，在此处输入参数即可

Trace跟踪参数

参数名	描述
`-Xlog:gc`	打印GC的简要信息
`-Xlog:gc*`	打印GC的详细信息
`-Xlog:gc+heap=日志等级`	每次GC后都打印堆信息
`-Xlog:gc:文件名`	以文件输出GC信息，不会被覆盖，会重新生成一个新的日志文件

以默认垃圾收集器（G1）产生的日志格式为例，日志格式如下，从左至右依次是：

GC发生时间：JVM从启动以来经过的秒数
日志等级
日志类型标记：主要是GC的类型
GC识别号：触发的是第几次GC
GC类型和原因
容量：格式为GC前容量->GC后容量（该区域总容量）
GC持续时间（单位秒）：有的收集器会有更详细的描述，比如：user表示程序消耗时间，sys表示系统内消耗时间，real表示操作从开始到结束时间

Java堆参数

建议-Xms和-Xms参数的值配置相等，这样就避免了每次GC过后都去调整堆的大小，从而减少了系统内存分配开销

建议-Xmn参数值为总堆大小的25%到50%之间，或直接使用默认值，分配较大时可能会出现不可预估的错误

参数名	描述
`-Xms`	初始堆大小，默认是物理内存1/64（必须是1024的倍数并且大于1MB）
`-Xmx`	最大堆大小，默认是物理内存1/4（必须是1024的倍数并且大于2MB）
`-Xmn`	新生代大小，默认是整个堆3/8
`-XX:NewRatio`	老年代与新生代的比值，默认是2，其他交由JVM自动计算，若设置`-Xms`=`-Xmx`且设置`-Xmn`的情况下，该参数无需设置
`-XX:SurvivorRatio`	Ened区和存活区的比值
`-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError`	监听`OutOfMemoryError`错误，出现错误会生成对应的内存快照文件，默认文件路径在运行路径上（项目根目录）
`-XX:+HeapDumpPath`	配合`-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError`参数，可指定生成的文件路径
`-XX:OnOutOfMemoryError`	监听`OutOfMemoryError`错误，出现错误会执行一个脚本

使用 -Xms10m -Xmx10m -Xmn3m -Xlog:gc+heap=debug参数和下面代码进行测试

public class Main {
  public static void main(String[] args) {
    System.out.println("总内存(totalMemory):" + Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024 / 1024 + "MB");
    System.out.println("剩余内存(freeMemory):" + Runtime.getRuntime().freeMemory() / 1024 / 1024 + "MB");
    System.out.println("最大内存(maxMemory):" + Runtime.getRuntime().maxMemory() / 1024 / 1024 + "MB");
  }
}

由于JDK9以后默认使用的是G1收集器，新生代、老年代并没有严格的划分，看的并不是很清晰，可使用-XX:+UseConcMarkSweepGC参数（JDK15该参数已经被废弃）指定以前的CMS收集器，并用下面代码进行测试

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

public class Main {
  private byte[] bytes = new byte[1024 * 1024];  //该对象创建会消耗1MB内存

  public static void main(String[] args) {
    List<Main> list = new ArrayList<>();
    int num = 0;
    try {
      while (true) {
        list.add(new Main());
        num++;  //分配次数
      }
    } catch (Throwable e) {  //当内存溢出时会抛出OutOfMemoryError错误，而不是异常
      System.out.println("分配次数，num:" + num);
      e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("总内存(totalMemory):" + Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024.0 / 1024.0 + "MB");
    System.out.println("剩余内存(freeMemory):" + Runtime.getRuntime().freeMemory() / 1024.0 / 1024.0 + "MB");
    System.out.println("最大内存(maxMemory):" + Runtime.getRuntime().maxMemory() / 1024.0 / 1024.0 + "MB");
  }
}

Java栈参数

参数名	描述
`-Xss`	通常几百K，决定函数调用栈的深度

元空间参数

一般用不上，作用不大

参数名	描述
`-XX:MetaspaceSize`	初始Metaspace空间大小，若达到该值会触发垃圾回收机制，同时GC对该值进行调整
`-XX:MaxMetaspaceSize`	最大Metaspace空间，默认没有限制
`-XX:MinMetaspaceFreeRatio`	在GC之后，最小的Metaspace剩余空间容量的百分比
`-XX:MaxMetaspaceFreeRatio`	在GC之后，最大的Metaspace剩余空间容量的百分比