[Java知识库]jvm原理笔记

二、Java内存区域与内存溢出异常

2.1、运行时数据区

运行时数据区包括五个分区：程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈、Java堆、方法区，其中前三个区域为线程私有，后两个区域为所有线程公有。

2.1.1、程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在Java虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取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、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，如果线程正在执行的是一个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；如果正在执行的是本地方法，这个计数器值为空。

2.1.2、Java虚拟机栈

Java虚拟机栈是线程私有的，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。

局部变量表

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、int、double等）、对象引用（可能是句柄，也可能是直接指针，HotSpot主要采用的是直接指针）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。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，其中64位长度的long和double类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

2.1.3、本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地方法服务。

HotSpot虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一了。

2.1.4、Java堆

Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，Java世界里几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的内存区域，因此一些资料中它也被称作GC堆。

Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但在逻辑上它应该被视为连续的。

Java堆可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过 -Xmx 和 -Xms 设定）。如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java虚拟机会抛出OutOfMemoryError异常。

2.1.5、方法区

方法区与Java堆一样，是各个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。

在jdk7之前，方法区使用永久代来实现，到了jdk8时，永久代这个概念被完全放弃，改用在本地内存中实现的元空间来代替。

垃圾收集行为在方法区是比较少出现的，但并非没有，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。

运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分，Class文件中记录的各种字面量与符号引用将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中，由符号引用翻译出来的直接引用一般也存储在运行时常量池中。

运行期间也可以将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用的比较多的便是String类的intern()方法。

2.1.6、直接内存

直接内存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地使用。

在jdk1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道与缓冲区的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。

2.2、对象

2.2.1、对象的创建

对象的创建分为以下五个步骤：

1. 当Java虚拟机遇到一条字节码new指令时，首先将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代表的类是否已被加载、解析和初始化过，如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。

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。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定。分配内存有两种策略，分别是指针碰撞和空闲列表，选择哪种方式取决于Java堆是否规整。

   ? 指针碰撞：假设Java堆中内存是绝对规整的，所有被使用过的内存都被放在一边，空闲的内存被放在另一边，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方向挪动一段与对象大小相等的距离。

   ? 空闲列表：如果Java堆中的内存并不是规整的，已被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起，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。

   为对象分配内存，在并发情况下并不是线程安全的，解决这个问题有两种可选方案：

   • 对分配内存空间的动作进行同步处理——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。
   • 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（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，分配新的缓存区时才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过 -XX:+/-UseTLAB 参数来设定。

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

4. 接下来需要设置对象头数据，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、对象的哈希吗（实际上对象的哈希码会延后到真正调用Object::hashCode()方法时才计算）、对象的GC分代年龄等信息。

5. 执行构造函数：new指令之后会接着执行()方法，按照程序员的意愿对对象进行初始化。

2.2.2、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、实例数据、对齐填充。

HotSpot虚拟机对象的对象头部分包括两类信息：

• 对象自身的运行时数据，如哈希码、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，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。
• 对象的类型指针，即对象指向它的类型元数据的指针，Java虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。

接下来的实例数据部分是对象真正存储的有效信息，即我们在程序代码里面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字段都必须记录起来。

对象的第三部分是对齐填充，这并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。因为Java中任何对象的大小都必须是8字节的整数倍，如果对象实例数据部分没有对齐的话，就需要通过对齐填充来补全。

2.2.3、对象的访问定位

Java程序会通过栈上的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》里面只是规定了它是一个指向对象的引用，所以具体的对象访问方式是由虚拟机实现而定的，主流的访问方式主要有使用句柄和直接指针两种：

• 如果使用句柄访问的话了，Java堆中将可能会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存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具体的地址信息。
• 如果使用直接指针访问的话，Java堆中对象的内存布局就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference中存储的直接就是对象地址，如果只是访问对象本身的话，就不需要多一次间接访问的开销。

这两种对象访问方式各有优劣。

使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定句柄地址，在对象被移动（如垃圾收集）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要被修改。

使用直接指针来访问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，HotSpot主要使用第二种方式进行对象访问。

2.2.4、OutOfMemoryError异常

三、垃圾收集器与内存分配策略