1、概览

c++开发人员需要针对程序对象进行内存手动管理，java因为jvm存在，可以自动管理内存，但也存在了内存溢出等问题，这样就需要我们掌握jvm运行原理，来排查问题。

2、运行时数据区域

jvm将内存分为以下几个区域进行管理

image.png

程序计数器

不会内存溢出、小的内存空间，记录了执行字节码的行号指示器。线程私有内存。

java虚拟机栈

线程私有、内存溢出、栈溢出、每个方法执行时会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口。每个方法执行对应着出栈入栈的过程。
局部变量表存储了基础数据类型，以及对象地址引用

本地方法栈

本地方法栈跟虚拟机栈一样，不过是本地方法。

堆

最大也是最复杂的一块区域，线程共享。所有对象以及数组都在堆上分配，随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配等会优化性能，所以堆上 分配开始不那么绝对。

堆区分为新生代与老年代

• 新生代有Eden区 survivor区两个
  从内存分配的角度来看，线程共享的java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（TLAB）

方法区

线程共享、存储加载类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分，Class文件 中除了有类版本，字段，方法、接口等信息除外，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，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中。jdk 1.7后，移除了方法区间，运行时常量池和字符串常量池都在堆中。

public static void main(String[] args) {

 String a="abc";

 String b=new String("abc");

 String c=b.intern();

 System.out.println(a == c);

}

运行结果为true,因为intern将b字符串从堆在运行池常量产生一个常量，但常量池中已经存在，则为true

直接内存

NIO通过native方法，在java虚拟机分配一个堆外内存，并通过New InputStream Object进行引用，并直接操作，这相当于一个缓冲区，不受java虚拟机制约。受操作系统物理内存制约，同样存在OutOfMemoryError，就NIO有使用

3、对象的创建

1、对象的创建有四种方式

• 用new关键字创建

• 调用对象的clone方法

• 利用反射，调用Class类的或者是Constructor类的newInstance（）方法

• 用反序列化，调用ObjectInputStream类的readObject（）方法

image.png

2、虚拟机为对象分配内存方式

一、指针碰撞

如果堆内存是规整的空间，即已经分配的内存与未使用的内存都是连续的空间，此时存在着一个指针位于已用与可用内存的分界，新内存的分配即指针移动对象大小的距离即可。此方式称为指针碰撞。 由于堆空间是线程共享的，所以该方式存在着并发问题，通常有以下两种解决方案：

1. 对内存分配的动作进行同步处理；

2. 本地线程分配缓冲（LTAB）。

本地线程分配缓冲：将内存按照分配的动作按线程划分在不同的空间进行，即每个线程在Java堆中预先申请一块内存(LTAB)，哪个线程需要分配空间，就在哪个线程的LTAB上执行。只有当某一线程的LTAB用完了才执行同步锁定。

二、空闲列表

如果堆空间中已分配的内存与未分配的内存相互交错，就需要使用“空闲列表”的方式进行内存分配操作。此时堆内存中维护了一份可用内存的列表，当有新内存分配的需求时，会到空闲列表中确定足够大小的内存空间予以分配操作。

内存空间分配完毕以后会对内存空间进行初始化操作，如果使用LTAB，该操作也可以提前到LTAB分配时执行。这也是为什么类变量具有默认初始化的原因。

具体选用哪种分配方式由垃圾收集器决定：如果垃圾收集器具有压缩整理的功能，则采用指针碰撞的方式分配内存，如果没有，则使用空闲列表。

3、线程安全性问题

当第一个线程过来，读了一块堆内存，没人用，给将要创建的对象分配了，还没来得及更新表，第二个线程到达，读取表发现该内存还未被分配，就将第一个线程的内存占用了。

方式：

1. 对空闲列表加锁，或指针碰撞的移动加锁
2. 本地线程分配缓冲

为每个线程在堆内存中创建一个缓冲内存区域，将对象放入缓冲区域，当缓冲区满，则继续分配，在这个分配的时候，将会采用同步策略，分配第二块缓冲。

4、对象的结构

1. Header（对象头）

• 自身运行时数据（根据操作系统的不同占32位，或者64位）Mark Word

hash值（它的数据由Object的hashCode方法实现，但这是native方法）

 GC分代年龄（涉及垃圾回收）

锁状态标志（标志该对象锁是否被拿走）

线程持有的锁

偏向线程I D

偏向时间戳

image.png

JDK1.6以后的版本在处理同步锁时存在锁升级的概念，JVM对于同步锁的处理是从偏向锁开始的，随着竞争越来越激烈，处理方式从偏向锁升级到轻量级锁，最终升级到重量级锁。

1，当没有被当成锁时，这就是一个普通的对象，Mark Word记录对象的HashCode，锁标志位是01，是否偏向锁那一位是0。

2，当对象被当做同步锁并有一个线程A抢到了锁时，锁标志位还是01，但是否偏向锁那一位改成1，前23bit记录抢到锁的线程id，表示进入偏向锁状态。

3，当线程A再次试图来获得锁时，JVM发现同步锁对象的标志位是01，是否偏向锁是1，也就是偏向状态，Mark Word中记录的线程id就是线程A自己的id，表示线程A已经获得了这个偏向锁，可以执行同步锁的代码。

4，当线程B试图获得这个锁时，JVM发现同步锁处于偏向状态，但是Mark Word中的线程id记录的不是B，那么线程B会先用CAS操作试图获得锁，这里的获得锁操作是有可能成功的，因为线程A一般不会自动释放偏向锁。如果抢锁成功，就把Mark Word里的线程id改为线程B的id，代表线程B获得了这个偏向锁，可以执行同步锁代码。如果抢锁失败，则继续执行步骤5。

5，偏向锁状态抢锁失败，代表当前锁有一定的竞争，偏向锁将升级为轻量级锁。JVM会在当前线程的线程栈中开辟一块单独的空间，里面保存指向对象锁Mark Word的指针，同时在对象锁Mark Word中保存指向这片空间的指针。上述两个保存操作都是CAS操作，如果保存成功，代表线程抢到了同步锁，就把Mark Word中的锁标志位改成00，可以执行同步锁代码。如果保存失败，表示抢锁失败，竞争太激烈，继续执行步骤6。

6，轻量级锁抢锁失败，JVM会使用自旋锁，自旋锁不是一个锁状态，只是代表不断的重试，尝试抢锁。从JDK1.7开始，自旋锁默认启用，自旋次数由JVM决定。如果抢锁成功则执行同步锁代码，如果失败则继续执行步骤7。

7，自旋锁重试之后如果抢锁依然失败，同步锁会升级至重量级锁，锁标志位改为10。在这个状态下，未抢到锁的线程都会被阻塞。

• 类型指针

该指针在32位JVM中的长度是32bit，在64位JVM中长度是64bit。 Java对象的类数据保存在方法区。

InstanceData（实例数据）

对象的实例数据就是在java代码中能看到的属性和他们的值。

Padding（对齐填充）

因为JVM要求java的对象占的内存大小应该是8bit的倍数，所以后面有几个字节用于把对象的大小补齐至8bit的倍数，没有特别的功能。

5、对象的访问定位

1. 使用指针（Hothop vm使用）

2. 使用句柄

image.png

4、内存溢出排查实战

1、以下代码将会抛出内存溢出异常

public class Main {

 public static void main(String[] args) {

 List<Demo> demoList=new ArrayList<>();

 while (true){

 demoList.add(new Demo());

 }

 }

} 

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
 at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3210)
 at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3181)
 at java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:265)
 at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:239)
 at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:231)
 at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:462)
 at com.hundsun.test.Main.main(Main.java:10)

由于本地电脑运行内存过大，很难看出问题，所以可以实现快照以及设置虚拟机内存大小，并且将异常快照放入

image.png

2、使用JProfile查看内存溢出以及解决当一个项目代码特别多，发生内存溢出我们又无法定位的时候，可以使用工具进行分析，在IDEA工具中，可以下载插件JProfile，然后下载JProfile软件https://www.ej-technologies.com/download/jprofiler/version_92，这样IDEA运行的时候可以使用JProfile软件进行分析查看是哪块区域内存溢出。具体集成方式参考https://blog.csdn.net/wytocsdn/article/details/79258247注册码值采用https://blog.csdn.net/liyantianmin/article/details/86534544 这是产生内存溢出的快照用JProfile打开，可以看见Demo对象的数量太多，导致了内存溢出。

image.png

Jprofile使用方式参考https://blog.csdn.net/sinat_38259539/article/details/71023582内存监控可以使用JProfile或者JDK自带的JConsole 监控示例：

image.png

public class JProfileTest {
 JProfileTest(){
   byte[] b1=new byte[128*1024];
 }
 public static void main(String[] args) {
   try {
     Thread.sleep(5000);
   }catch (InterruptedException e){
     e.printStackTrace();
   }
   fill(10000);
 }

 private static void fill(int n) {
   List<JProfileTest> jProfileTestList=new ArrayList<>();
   for(int i=0;i<=n;i++){
   try {
     Thread.sleep(100);
   }catch (InterruptedException e){
     e.printStackTrace();
   }
   jProfileTestList.add(new JProfileTest());
   }
  }
}