JVM读书笔记之内存管理

　　对于从事C、C++程序开发人员来说，在内存管理领域，他们既是拥有最高权力的“皇帝”又是从事最基础工作的“劳动人民”--既拥有每一个对象的“所有权”，又负责每一个对象生命开始到终结的维护责任。

　　对于Java程序员来说，在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，不再需要为每一个new操作去写配对的delete/free代码，不容易出现内存泄漏和内存溢出问题，由虚拟机管理内存这一切看起来都很美好。不过，也正是因为Java程序员把内存控制的权力交给了Java虚拟机，一旦出现内存泄漏和内存溢出方面的问题，如果不了解虚拟机是怎样使用内存的，那么排查错误将会成为一项异常艰难的工作。

1 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。这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

各数据区域的生命周期、所属线程及出现的内存溢出异常
数据区域	程序计数器	Java虚拟机栈	本地方法栈	Java堆	方法区	运行时常量池	直接内存
生命周期	与线程相同	与线程相同	与线程相同	与虚拟机相同	与虚拟机相同	与虚拟机相同	与虚拟机相同
所属线程	线程私有	线程私有	线程私有	线程共享	线程共享	线程共享	线程共享
内存溢出抛出异常	无	OOM、SOF	OOM、SOF	OOM	OOM	OOM	OOM

1.1 程序计数器(Program Counter Register)

　　程序计数器是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）只会执行一条线程中的指令。因此，每条线程都需要一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

1.2 Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)

　　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方法执行的内存模型:每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（stack frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

1.3 本地方法栈(Native Method Stacks)

　　与虚拟机栈相似，其区别不过是虚拟机栈执行Java方法(也就是字节码)服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。

　　被native关键字修饰的方法叫做本地方法，本地方法和其它方法不一样，本地方法意味着和平台有关，因此使用了native的程序可移植性都不太高。另外native方法在JVM中运行时数据区也和其它方法不一样，它有专门的本地方法栈。native方法主要用于加载文件和动态链接库，由于Java语言无法访问操作系统底层信息（比如：底层硬件设备等），这时候就需要借助C语言来完成了。被native修饰的方法可以被C语言重写。

1.4 Java堆(Java Heap)

　　对于大多数应用来说，Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。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。

1.5 方法区(Method Area)

　　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信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

1.6 运行时常量池(Runtime Constant Pool)

　　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，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。

1.7 直接内存

　　直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，但是这部分内存也被频繁地使用，也可能导致OOM异常出现。在JDK1.4中新加入了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。在一些场景中可以避免在Java堆和Native堆中来回复制数据，从而提高性能。

2 HotSpot虚拟机对象探秘

　　学习了Java虚拟机的运行时数据区之后，我们大致知道了虚拟机内存的概况，接下来我们进一步了解虚拟机内存中的数据的其他细节：对象是如何创建、如何布局及如何访问的。本文总结了HotSpot虚拟机在Java堆中对象分配、布局和访问的全过程。

2.1 对象的创建

　　Java是一门面向对象的编程语言，在Java程序运行过程中无时无刻都有对象被创建。在语言层面上，创建对象(如克隆、反序列化)通常仅仅是一个new关键字而已，而在虚拟机中，普通Java对象的创建又是怎样一个过程呢？

　　虚拟机遇到一条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，则须先执行相应的类加载过程。

　　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。

　　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(Thread Local Allocation Buffer)，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。

　　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。

　　在上面的工作都完成之后，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----<init>方法还没执行，所有的字段都还为零。所以，一般来说，执行new指令之后会接着执行<init>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了。

2.2 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)

对象头

　　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。

　　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，但是并不是所有虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，也就是查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身。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。

实例数据

　　接下来的实例数据部分是对象真正存储的有效信息，及各种类型的字段内容，无论是从父类继承还是在子类中定义的，都需要记录。

对齐填充

　　第三部分对齐填充并不是必然存在的，也没有特别含义，仅仅起着占位符的作用。这是由于HotSpot虚拟机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，也就是说对象的大小必须是8字节的整数倍，而对象头部分正好是8字节的倍数(1或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。

2.3 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。对于应该通过何种方式去定位、访问堆中的对象的具体位置，目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种方式。

句柄

　　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。

直接指针

　　如果使用直接指针访问方式，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，reference中直接存储的就是对象地址。

两种方式比较

　　使用句柄访问方式的最大好处就是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本身不需要被修改。

使用直接指针访问的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，因此这列开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。

　　对于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。