Java 内存区域

运行时数据区域

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域这些区域都有自己的用途，创建，销毁时间。 如下图所示：

  • 程序计数器

这是一块较小的内存空间，可以看作当前线程所执行的字节码的行号指示器。字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。

因为在任意一个确定的时刻，一个处理器只能执行一条线程中的指令，为了线程切换后能回到正确的执行位置，每条线程都需要一个独立的程序计数器。称这类内存区域为线程私有的内存。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

Java虚拟机栈也是线程私有的，生命周期和线程相同，虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型，每个方法在执行的同时会创建一个栈帧，用来存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

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，它并不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和returnAddress 类型（指向了一条字节码指令的地址）。

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。

虚拟机规范中，这个区域规定了两种异常状况，如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出Stack Overflowerror异常，如果虚拟机栈可以动态扩展，如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出outofmemoryError 异常。

  • 本地方法栈

本地方法栈为虚拟机使用到的native方法服务。

  • 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，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。Java堆还是垃圾收集器管理的主要区域，Java堆可以细分为新生代和老年代，再细致有 eden空间，From Survivor 空间， To Survivor 空间。 Java堆可以处在物理上不连续的内存空间，只需逻辑上连续即可。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

（到了今天，垃圾收集器技术与十年前已不可同日而语，HotSpot里面也出 现了不采用分代设计的新垃圾收集器，再按照上面的提法就有很多需要商榷的地方了。）

  • 方法区

方法区也是线程共享的内存区域，用于存储已被虚拟机加载的 类信息(主要)，常量，静态变量，即时编译器编译后的代码缓存等数据。
方法区的主要职责是用于存放类型的相关信息，如类名、访问修饰符、常量池、字段描述、方法描述等。

这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效果比较难令人满意，尤 其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收有时又确实是必要的。
JDK7后，原本存放在永久代的字符串常量池被移至Java堆之中。

  • 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（Constant Pool Table） ， 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存放。

Java语言并不要求常量 一定只有编译期才能产生，也就是说，并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常 量池，运行期间也可以将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的 intern()方法。

HotSpot虚拟机对象

对象的创建

虚拟机遇到一条new指令后，首先检查这个指令的参数能否在常量池中定位到一个类的符号引用，并检查这个符号引用代表的类是否已被加载，解析，初始化。如果没有，就必须先执行相应的类加载过程。

类加载检查完成后，虚拟机将为新生对象分配内存，对象所需内存大小在类加载完成后便可确定下来，为对象分配内存就是把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。有两种主要的分配方式分别是指针碰撞和空闲列表

假设堆内存是绝对规整的，所有用过的内存都放在一边，空闲的放在另一边，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，这就是指针碰撞，如果不规整，虚拟机就必须维护一个列表，记录哪些内存块是可用的，这种称为空闲列表。

除如何划分可用空间之外，还有另外一个需要考虑的问题：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 有两种可选方案：一种是对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机是采用CAS配上失败 重试的方式保证更新操作的原子性；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。

内存分配完成后，虚拟机需要将分配的内存空间都初始化为零值。接下来要对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪一个类的实例，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。这些信息都存放在对象的对象头中。

上述步骤完成后，虚拟机角度，一个新对象已经产生了。但是从程序员角度，执行new指令后会接着执行<init>方法，把对象按照程序员意愿进行初始化，这样一个可用对象才算最终产生。

new 一个才会在堆中产生一个对象

对象的内存布局

对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头、实例数据和对齐填充。

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。32位虚拟机和64位虚拟机分别占32bit和64bit.也称为mark word。对象头的另外一部分是类型指针， 即对象指向它的类型元数据的指针， 虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

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和字段在Java源码中定义顺序的影响

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。

对象的访问定位

建立对象是为了使用对象， Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。主要的访问对象方式有使用句柄和直接指针两种。

  • 使用句柄

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，如下图所示

  • 直接指针访问

reference中存储的直接就是对象地址。

SUN HotSpot 虚拟机选择的第二种。

两种方式各有优势，使用句柄最大好处就是reference存放的是稳定的句柄地址，对象被移动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最大的好处就是速度快。