Java自动内存管理机制

[luoxn28]

Java内存模型

Java虚拟机在执行程序时把它管理的内存分为若干数据区域，这些数据区域分布情况如下图所示：

• 程序计数器：一块较小内存区域，指向当前所执行的字节码。如果线程正在执行一个Java方法，这个计数器记录正在执行的虚拟机字节码指令的地址，如果执行的是Native方法，这个计算器值为空。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。
• Java虚拟机栈：线程私有的，其生命周期和线程一致，每个方法执行时都会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
• 本地方法栈：与虚拟机栈功能类似，只不过虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈则为使用到的Native方法服务。
• Java堆：是虚拟机管理内存中最大的一块，被所有线程共享，该区域用于存放对象实例，几乎所有的对象都在该区域分配。Java堆是内存回收的主要区域，从内存回收角度看，由于现在的收集器大都采用分代收集算法，所以Java堆还可以细分为：新生代和老年代，再细分一点的话可以分为Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。根据Java虚拟机规范规定，Java堆可以处于物理上不连续的空间，只要逻辑上是连续的就行。
• 方法区：与Java一样，是各个线程所共享的，用于存储已被虚拟机加载类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。对于习惯在HotSpot虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是有必要的。
• 运行时常量池，运行时常量池是方法区的一部分，Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。运行期间可以将新的常量放入常量池中，用得比较多的就是String类的intern()方法，当一个String实例调用intern时，Java查找常量池中是否有相同的Unicode的字符串常量，若有，则返回其引用；若没有，则在常量池中增加一个Unicode等于该实例字符串并返回它的引用。

HotSpot虚拟机对象

对象的创建

虚拟机中对象（不包括数组和Class对象）的创建包括以下几个步骤：

• 类的加载检查：虚拟机遇到一个new指令时，首先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被加载、解析和初始化。如果没有，则必须执行相应的类加载过程。
• 内存分配：在类加载检查通过后，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堆中内存是绝对规整的，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，已使用的内存和空闲的内存相互交错，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，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，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堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。因此，在使用Serial、ParNew等带Compact过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，而使用CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器时，通常采用空闲列表。--除如何划分可用空间之外，还有另外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指针所指向的位置，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之中进行，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（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。哪个线程要分配内存，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。
• 初始化内存空间：内存分配完成后，虚拟机需要将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。
• 对象必要设置：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，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。

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——方法还没有执行，所有的字段都还为零。所以，一般来说（由字节码中是否跟随invokespecial指令所决定），执行new指令之后会接着执行方法，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。

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以分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。
HotSpot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（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，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用于存储对象哈希码，4bit用于存储对象分代年龄，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：

对象头的另外一部分是类型指针，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，这点在后面讨论。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。
接下来的实例数据部分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。无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的，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、ints、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会出现在子类之前。如果CompactFields参数值为true（默认为true），那么子类之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字节的整数倍，换句话说，就是对象的大小必须是8字节的整数倍。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。

对象的访问定位

建立对象是为了使用对象，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，所以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：

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放置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：

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中存储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中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。就虚拟机Sun HotSpot而言，它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。

Java方法区和运行时常量池溢出问题分析

运行时常量池是方法区的一部分，方法区用于存放Class的相关信息，如类名、访问修饰符、常量池、字段描述、方法描述等。
String.intern()是一个native方法，它的作用是：如果字符串常量池中已经包含了一个等于此String对象的字符串，则返回代表池中这个字符串的String对象；否则，将此String对象包含的字符串添加到常量池中，并返回此String对象的引用。在JDK1.6及之前版本中，由于常量池分配在永久代中(即方法区)，我们可以通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法区大小，从而间接限制其中常量池的容量，注意，JDK1.7开始逐步开始“去永久代”。代码如下所示：

/*
 * VM Args: -XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m
 */
public class RuntimeConstantPoolOOM {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用List保持着常量池引用，避免Full GC回收常量池行为
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        
        int i = 0;
        while (true) {
            list.add(String.valueOf(i++).intern());
        }
    }
}

注意，VM Args为配置VM的参数，在下配置：

运行结果：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
    at java.lang.String.intern(Native Method)
    at jvm.RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java:16)

从运行结果中可以看到，运行时常量池溢出，在OutOfMemoryError后面跟随的提示信息是“PermGen space”，说明运行时常量池属于方法区（HotSpot虚拟机中的永久代）的一部分。但是使用JDK1.7运行这段程序不会得到相同的结果，而是出现以下的提示信息，这是因为这两个参数已经不在JDK1.7中使用了。

Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option PermSize=10m; support was removed in 8.0
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option MaxPermSize=10m; support was removed in 8.0

如果在JDK1.7中运行RuntimeConstantPoolOOM.java程序，while循环将一直运行下去，但是，while循环并不是始终运行下去，直到系统中堆内存用完为止，一般需要过好长时间才会出现，不过笔者并没有在本地测试。因为在JDK1.7中常量池存储的不再是对象，而是对象引用，真正的对象是存储在堆中的。把RuntimeConstantPoolOOM.java运行时的VM参数改为如下所示：
-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
运行程序后结果：

出现异常提示信息：java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded，这里没有提示说堆还是持久代有问题，虚拟机只是告诉你你的程序花在垃圾回收上的时间太多了，却没有什么见效。默认的话，如果你98%的时间都花在GC上并且回收了才不到2%的空间的话，虚拟机才会抛这个异常。这是一个快速失败的安全保障的很好的实践。从运行结果中可以看出， 我们限定了堆的大小后，程序很快就运行异常了，异常信息和之前设想的一样，也就是常量池存储的不再是对象，而是对象引用，真正的对象是存储在堆中的。关于JDK1.7字符串常量池的实现问题，这里还可以引申一个更有意义的影响，如以下代码所示：

public class Hello {
    public static void main(String[] args) {
        String str1 = new StringBuilder("计算机").append("软件").toString();
        System.out.println(str1.intern() == str1);

        String str2 = new StringBuilder("ja").append("va").toString();
        System.out.println(str2.intern() == str2);
    }
}

这段代码在JDK1.6中运行，会得到两个false，而在JDK1.7中运行，会得到一个true和一个false。产生差异的原因是：在JDK1.6中，intern()方法会把首次遇到的字符串复制到永久代中，返回的也是永久代中这个字符串的引用，而由StringBuilder创建的字符串实例在Java堆中，所以必然不是同一个引用，将返回false。而JDK1.7(以及部分其他虚拟机，例如JRockit)的intern()实现不会再复制实例，而是在常量池中记录首次出现的实例引用，注意，引用指向的对象是存储在堆上的，因此intern()返回的引用和由StringBuilder创建的那个字符串是同一个。对str2比较返回false是因为"java"字符串在执行StringBuilder()之前就已经出现过，字符串常量池中已经有它的引用了，不符合“首次出现”原则，已经存在的引用是指向第一次出现"java"的字符串对象，而“计算机软件”这个字符串则是首次出现的，因此返回true。如果在Hello.java中添加如下代码的话，返回的结果也是false，证明"main"字符串之前也出现过了。

String str3 = new StringBuilder("ma").append("in").toString();
System.out.println(str3.intern() == str3);

参考：

1. 《深入理解Java虚拟机》 第2章节
2. Java中的字符串常量池-技术小黑屋
3. Java永久代去哪儿了