深入理解Java虚拟机—Java内存区域

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域各有各自的用途，以及创建和销毁的时间。总的来说Java虚拟机可以划分为如下几个运行时数据区部分。

首先总体上说Java虚拟机包括方法区、堆、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器五个主要的运行时数据区部分。

程序计数器

介绍：

程序计数器(PC) 用来指示当前线程所执行的字节码行号指示器，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来指明下一条需要执行的字节码指令。它是程序控制流的指示器、，分支、跳转、循环、异常处理、线程恢复等基础功能都依赖于这个计数器来完成。

特性：

为了多个线程之间的执行操作互不影响，每个线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为 “线程私有” 的内存。

如果线程执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果执行的是一个本地(Native)方法，则计数器的值应该为空。

程序计数器是各个运行时数据区中唯一一个不会出现OutOfMemoryError情况的区域。

Java虚拟机栈

介绍：

Java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型，每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

特性：

局部变量表存放了编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用(reference类型，不等同于对象本身，可能是指向对象起始地址的引用指针，或者是代表对象的句柄)、returnAddress类型。这些数据在局部变量表中的存储空间以局部变量槽(Slot)来表示，其中64位长度的long和double会占用两个变量槽，其余数据类型只占用一个。

该区域的异常情况包括：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈的容量可以扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈和虚拟机栈的作用类似，不同的是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（字节码）服务；而本地方法则是为虚拟机使用本地（Native）方法服务。

同样在请求栈的深入大于虚拟机栈的深度时会抛出栈溢出异常；当栈的内存无法得到扩展时会抛出内存溢出异常。

Java堆

Java中几乎所有的对象实例都在Java 堆分配的，Java堆是被所有线程共享的一块区域。Java堆是垃圾收集器管理的区域。

如果从分配内存的角度看，所有线程共享的Java堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer）TLAB，用来提升对象分配时的效率。不过无论怎么划分，都不会改变Java堆中存储内容的共性，无论哪个区域，存储的都只能是对象的实例。

Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但是在逻辑上它应该被视为连续的。

方法区

方法区也是线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。

永久代

在JDK8之前方法区被称为永久代，目的是为了把收集器的分代收集理论扩展至方法区，这样使得HotSpot的垃圾收集器能够像管理Java堆一样管理这部分的内存，省去了专门为方法区编写内存管理代码的工作。

永久代存在的问题是导致了Java应用更容易遇到内存溢出的问题（永久代有 -XX:MaxPermSize的上限），即使不设置也有默认大小。

在JDK7的HotSpot，已经把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量都移出，到JDK8完全废弃了永久代的概念。

元空间

方法区的垃圾回收

方法区和堆一样都是线程共享的区域，因此也涉及到一定的垃圾回收。这个区域的内存回收的主要目标是针对常量池的回收和对类型的卸载。

运行时常量池和常量池

运行时常量池也是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项是常量池表。常量池表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存放到方法区的运行时常量池中。

运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，并非预置入Class文件中的常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可以进入。比如说String类的 intern() 方法就能够在运行期间将字符串放入到常量池中。

直接内存

介绍：

直接内存(Direct Memory)并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是《Java虚拟机规范》中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁使用。

比如说Java中新加入的 NIO(New Input/Output)类，引入了一种基于通道(Channel)与缓冲区(Buffer)的 I/O方式，它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆里面的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因此避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

虚拟机中的对象

对象的创建过程

（1）当Java虚拟机遇到一条字节码 new指令时，首先会去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所代表的类是否已经被加载、解析和初始化过。如果没有那就必须要先执行相应的类的加载过程。

（2）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。这里需要根据内存是否规整选用不同的分配方法（指针碰撞和空闲列表）。指针碰撞：如果Java堆中的内存是绝对规整的，所有被使用过的内存都放在一边，空闲的被放在另一边，中间放着一个指针作为分界点指示器，所分配的内存就仅仅把指针向空闲的方向挪动一段与对象大小相等的距离。空闲列表：Java堆中的内存是不规整的，已经被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起，那样就不能进行简单的指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录上面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小的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录。

而Java堆中内存是否规整又与其采用的垃圾收集器是否带有空间压缩整理的能力决定，因此当使用Serial、ParNew等带有压缩整理过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，简单高效；而使用基于清除算法的CMS收集器时，理论上就只能采用较为复杂的空闲列表来实现。

在使用指针碰撞分配方式时会出现一些问题，因为对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使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又同时使用原来的指针来分配内存的情况。有两种方案解决这个问题：①对分配内存空间的动作进行同步处理—实际上虚拟机是采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；②另外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本地缓冲区中分配，只有本地缓冲区用完了，分配新的缓冲区时才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过 -XX:+/-UseTLAB参数来配置。

（3）内存分配完成之后，虚拟机必须将分配到的内存空间（不包括对象头）都初始化为零值，如果使用了TLAB的话，这一项工作就可以提前至TLAB分配时顺便进行。

（4）接下来需要对对象进行必要的设置，比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。根据当前的虚拟机运行的不同状态，来决定是否采用偏向锁等。

（5）利用构造函数开始创建对象，即运行Class文件中的init()方法。直到现在一个真正可用的对象才算完全地构造出来。

对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中，对象在堆内存中的存储布局可以划分为三个部分：对象头（Header）、实例数据、对齐填充。

1. 对象头

对象头包含两个部分，第一类是用于存储对象自身的运行时数据的Mark Word，第二类是用于该对象所属的类型——类型指针。

Mark Word：对象运行时自身的数据，比如说哈希码(HashCode)、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等等。该结构随着对象运行时自身的状态变化而变化。

存储内容	标志位	状态
对象哈希码、对象分代年龄	01	未锁定
指向锁记录的指针	00	轻量级锁定
指向重量级锁的指针	10	重量级锁定
空，不需要记录信息	11	GC标记
偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄	01	可偏向