JVM(1) Java内存区域

　　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。不过，也正是因为Java程序员把内存控制的权利交给了Java虚拟机，一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题，了解虚拟机是怎样使用内存的可以帮助我们排查错误。

　　一、运行时数据区域

　　1.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，有的区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

　　（1）程序计数器（Program Counter Register）（线程隔离）

　　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。字节码解释器工作时就是通过改变程序计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令、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。

　　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，在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）都只会执行一条线程中的指令。因此，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，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，成这类内存区域为“线程私有”的内存。

　　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Native方法，这个计数器值则为空（Undefined）。这个内存区域是唯一一个在Java虚拟机中规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

　　（2）虚拟机栈（VM Stack）（线程隔离）

　　与程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，它的声明周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、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，就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器可知的各种基本数据类型（其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其他的数据类型只占应用1个）、对象引用（reference类型，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。

　　对于虚拟机栈可能有两种异常情况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展，而扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

　　（3）本地方法栈（Native Method Stack）（线程隔离）

　　本地方法栈和虚拟机栈的区别就是，虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。Sun HostSpot虚拟机直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

　　（4）Java堆（Java Heap）（线程共享）

　　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。

　　Java堆唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在Java堆里分配内存。

　　Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称作GC堆（Garbage Collected Heap）。

　　Java堆还可以进一步划分。从内存回收的角度，由于现在的收集器基本都采用分代手机算法，所以Java堆中还可以细分为新生代和老年代。从内存分配的角度，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（Thread Locak Allocation Buffer，TLAB）。无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。

　　Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像磁盘空间一样。在实现时，既可以实现固定大小的，也可以是可扩展的，可以通过“-Xmx”和“-Xms”控制。

　　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，将会抛出OutOfMemoryError异常。

　　（5）Java方法区（Java Method Area）（线程共享）

　　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。

　　Java方法区除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，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。

　　当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

　　方法区中的运行常量池（Runtime Constant Pool）：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的引用，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虚拟机对Class文件内的常量池有严格规定，但是对运行时常量池没有做任何要求。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并不要求常量一定只有编译期才能产生，运行期间也可以将新的常量放入池中，例如String类的intern()方法。运行时常量池也是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

　　在jdk1.7之后，常量池不仅仅可以存储对象，还可以存储对象的引用。

　　（6）直接内存（Direct Memory）

　　直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常。

　　在JDK1.4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堆中的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，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

　　本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是，肯定会收到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。如果在配置虚拟机参数-Xmx时，如果使得虚拟机内存加上本机直接内存总和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统的限制），就会导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

　　二、虚拟机中的对象

　　1.创建对象的过程

• 虚拟机遇到一条new指令时，首先将去检查这个指令的参数能否能够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。
• 在类加载检查通过后，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）。这一操作确保了对象的实例字段在Java代码中可以不用赋初始值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。
• 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。
• 在上面的工作都完成后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了。但是，从Java程序的角度讲，所有的字段都还为零值，所以，一般来说（由字节码中是否跟随invokespecial指令所决定），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创建完成。

　　2.对象内存的分配

　　上面提到过，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。

　　假设Java堆中的内存是绝对规整的，所有用到的内存都放在一边，空闲的内存存放在另一边，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中间的指针向空闲空间那边挪动一段与对象所需内存大小相等的距离，这种分配方式成为“指针碰撞”（Bump the Pointer）。

　　假设Java对中的内存并不是规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，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，这种分配方式成为”空闲列表“（Free List）。

　　采用哪种分配方式是由Java堆是否规整决定的，而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。

　　然而这种分配方式会出现一个问题，在虚拟机中创建对象是非常频繁的行为，在并发情况下，很可能出现的情况是，正在给对象A分配内存，而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。为了解决这个问题有两种方案：1.对分配内存空间的动作进行同步处理--采用CAS配上失败重试的方式保证操作的原子性；2.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，即TLAB）。哪个线程要分配内存，就在哪个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB时，才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX:+/-UseTLAB参数设定。

　　3.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）。

　　（1）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、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，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机中分别为32bit和64bit。第二部分是类型指针，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。如果对象是一个Java数组，那么对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。

　　（2）实例数据

　　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。这部分默认的分配策略是相同宽度的字段总是被分配到一起。在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之前。

　　（3）对齐填充

　　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。由于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，因此，当对象实例数据部分没有对齐时，使用对齐填充来补全。

　　4.对象的访问定位

　　在Java虚拟机栈中的局部变量表中存放了对象引用，也就是reference类型，它不等同于对象本身，通过reference访问对象有两种方式

　　（1）使用代表对象的句柄访问

　　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，而句柄中包含了指向对象实例数据与对象类型数据的两种指针。

　　优势：因为reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾回收时）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。

　　（2）使用直接指针访问

　　Java堆中存放着对象实例数据，而这个对象实例数据中包含到对象类型数据的指针，reference存储的就是就是直接到对象实例数据的地址。

　　优势：速度更快，节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Java中很频繁，因此这类开销累计起来也是一项非常可观的执行成本。