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[Java知识库]【虚拟机】走进Java、自动内存管理

励志

If you want something, go get it.
如果你有理想的话，就要努力实现。

好书分享：

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一、走进Java

世界上并没有完美的程序，但我们并不因此而沮丧，因为写程序本来就是一个不断追求完美的过程。

1.Java的优点：

a. 摆脱了硬件平台的束缚，“一次编写，到处运行”（这个思想个人感觉忒牛了，想想鸿蒙的理念也是如此！）
Write Once，Run Anywhere
b.相对安全的内存管理和访问机制，避免了绝大部分内存泄漏和指针越界问题
c.实现了热点代码检测和运行时编译及优化
d.完善的应用程序接口
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2.Java技术体系

a.组成：

b.服务领域：
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c.具体：

3.Java的发展

Java之父：詹姆斯·高斯林

最早语言为Oak，用于嵌入式系统，没有成功；
1995年互联网发展，改名为Java，开始火爆，提出Write once run anywhere的原则；
1996年1月发布JDK1.0，jvm为Sun Classic VM；
1996年5月首届JavaOne大会；
1997年2月 JDK1.1（内部类、反射、jdbc、javabean、rmi）；
1998年 JDK1.2 发布J2Se J2EE J2ME swing jit Hotspot VM；
2000年5月 JDK1.3 Timer Java2d；
2002年2月 JDK1.4 Struts Hibernate Spring 正则表达式 NIO 日志 Xml解析器；
2004年9月 JDK1.5(tiger) 自动装箱拆箱泛型注解枚举增强for 可变参数 Spring2.X；
2006年 JDK6 JavaSe JavaEE JavaME 提供脚本语言支持支持http服务器api；
2009年 Java7 Jigsaw模块化 Orical74亿收购Sun；
2014年 Java8 Lambda表达式函数式接口方法引用默认方法 Stream；
2017年 Java9 模块化
2018年 Java10（内部重构）、Java11 （免费and收费）
2019年 Java12加入由RedHat领导开发的Shenandoah垃圾收集器

二、自动内存管理

2.1 Java内存区域与内存溢出异常

2.11运行时数据区域

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程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，它可以看成是当前线程所执行的字节码的行号指示器。每条线程都需要一个独立的程序计数器，和Java虚拟栈一样 “线程私有”，生命周期与线程相同。此区域是唯一一个在《Java虚拟机规范》中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。如果线程执行的是java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟字节码指令的地址。如果正在执行的是本地(native)方法，那么这个计数器的值为空(undefined)。

Java虚拟机栈

虚拟机栈描述的是Java方法执行的动态内存模型。

栈帧：每个方法执行都会同步创建一个栈帧方法执行完毕，栈帧销毁。用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等。
局部变量表：存放编译期可知的各种基本数据类型，引用类型，局部变量表的大小在编译期便已经完全确定，在运行时期不会发生改变。不过这里大小指的是变量槽的数量（slot），这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽来表示。
栈的大小：如果栈满了，StackOverFlowError，递归调用很常见。

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        test();
    }   
    public static void test() {
        System.out.println("start......");
        test();
    }
}
// 报错Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError

本地方法栈

本地方法栈为虚拟机执行native方法服务

Java堆

java虚拟机最大的内存区域，存放对象实例，也是垃圾收集器管理的主要区域，GC堆（Garbage Collected Heap）不是垃圾堆哦哈哈
Java堆可以处于物理内存不连续，逻辑上应视为连续。
可固定、可拓展

不过哈，如今的及时编译技术日益进步，比如逃逸分析技术进步，栈上分配，标量替换优化手段的出现，说对象实例都分配到Java堆感觉有点过于绝对了。
十年前，主流的HotSpot虚拟机中的垃圾收集器全部基于“经典分代”设计，但今天，垃圾收集器技术已不同昨日，HotSpot里面也出现了不采用分代设计，说Java虚拟机都划分新生代、老年代也显得绝对了。

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方法区

存储虚拟机加载的类信息（类的版本、字段、方法、接口），常量，静态常量，即时编译后的代码等数据，也可能会抛出OutOfMemoryError异常。
方法区≠永久代，对于HotSpot中才有永久代的概念。

运行时常量池是方法区的一部分

public class Changliang {
    public static void main(String[] args) {
        // s1与s2是相等的，为字节码常亮
        String s1 = "abc";
        String s2 = "abc";
		
        // s3创建在堆内存中
        String s3 = new String("abc");
		
        // intern方法可以将对象变为运行时常量
        // intern是一个native方法
        System.out.println(s1 == s3.intern()); // true
    }
}

直接内存：jdk1.4中增加了NIO，可以分配堆外内存（系统内存替代用户内存），提高了性能。

对象的创建:
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2.12在堆中给对象分配内存

两种方式：指针碰撞和空闲列表。我们具体使用的哪一种，由Java堆是否规整决定，而这又由所采用的垃圾收集器是否带有空间压缩整理能力，如果有压缩整理，可以使用指针碰撞的分配方式。

指针碰撞（Bump and Pointer）：假设Java堆中内存是绝对规整的，所有用过的内存度放一边，空闲的内存放另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，所分配内存就仅仅是把哪个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的举例，这种分配方案就叫指针碰撞
空闲列表（Free List）：有一个列表，其中记录中哪些内存块有用，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，然后更新列表中的记录，这就叫做空闲列表。

2.13线程安全性问题

在两个线程同时创建对象时，可能会造成空间分配的冲突，解决方案有：线程同步（但执行效率过低）或给每一个线程单独分配一个堆区域TLAB Thread Local Allocation Buffer（本地线程分配缓冲）。

2.14对象的内存布局

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

对象头：包括两部分信息，第一部分信息用于存储对象自身的运行时数据（32位~64位 MarkWord），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。第二部分是类型指针，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。另外，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，但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。
实例数据：是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。相同宽度（如long和double）的字段被分配在一起，父类属性在子类属性之前。
对齐填充：占位符填充作用。（起始地址必须是8字节的整数倍）

2.15对象的访问定位

访问方式：

句柄访问：Java堆中可能会划分出一块内存来作为句柄池，引用变量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和类型数据各自的具体地址信息。一个句柄又包含了两个地址，一个对象实例数据，一个是对象类型数据(这个在方法区中，因为类字节码文件就放在方法区中)。

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直接指针访问：引用变量中存储的就直接是对象地址了，在堆中不会分句柄池，直接指向了对象的地址，对象中包含了对象类型数据的地址。HotSpot主要采用直接定位（Shenandoah收集器会有一次额外的转发）

2.16OutOfMemoryError异常

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有发生OutOfMemoryError异常的可能，如下所示：

Java堆溢出：Java堆用于存储对象实例，只要不断地创建对象，并且保证GCRoots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。
虚拟机栈和本地方法栈溢出：在Java虚拟机规范中，描述了两种异常：

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。

如果虚拟机在扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常。
方法区和运行时常量池溢出：运行时产生大量的类去填满方法区，就会溢出。
本机直接内存溢出：若向操作系统中申请分配过多内存，就会溢出。