【JVM详解】Java内存区域&对象创建和访问

一、概述

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它管理的内存区域划分为若干个不同的内存区域。JDK1.8和之前的版本略有不同。

二、运行时数据区域

1.程序计数器

• 概念

  程序计数器（Program Counter Register）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。

• 描述

  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，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，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

• 特点

  ①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

  ②如果正在执行的是Native方法，这个计数器值为空（Undefined）

  ③该区域是唯一一个在java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域

2.java虚拟机栈

• 概念

  Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）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

• 描述

  局部变量表存放了编译器可知的各种基本类型、对象引用和returnAddress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），其余的数据类型只会占用一个；

  局部变量表所需要的内存空间在编译期完成分配，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。

• 特点

  ①线程私有，生命周期与线程相同

  ②如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将会抛出Stack OverflowError异常

  ③如果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

• 概念

  本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务

• 特点

  ①Sun HotSpot虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一

  ②与虚拟机栈一样，本地方法栈也同样会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError

4.java堆

• 概念

  Java堆（Java Heap）是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。

  此内存区域唯一的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。

• 描述

  Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，也被称作GC堆；

  从内存回收的角度，现在收集器基本上都采用分代收集算法，因此可细分为新生代和老年代；

  从内存分配的角度，线程共享的Java堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）

• 特点

  ①Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块

  ②Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上连续即可

  ③实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的（通过-Xmx和Xms控制）

  ④如果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

5.方法区

• 概念

  方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存放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。别名Non-Heap

• 描述

  对于HotSpot而言，很多人把方法区成为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅因为HotSpot设计团队，想把GC分代收集扩展至方法区。

  JDK8以后，HotSpot已经放弃永久代并“搬家”至Native Memory来实现方法区

• 特点

  ①和Java堆一样，不需要连续的内存，同时还可以选择不实现垃圾收集

  ②垃圾收集行为在这个区域比较少出现，这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和内存的卸载，一般来说，回收“成绩”难以令人满意

  ③当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError

• 扩展

  方法区和永久代的关系

  《Java 虚拟机规范》只是规定了有方法区这么个概念和它的作用，并没有规定如何去实现它。那么，在不同的 JVM 上方法区的实现肯定是不同的了。 方法区和永久代的关系很像 Java 中接口和类的关系，类实现了接口，而永久代就是 HotSpot 虚拟机对虚拟机规范中方法区的一种实现方式。 也就是说，永久代是 HotSpot 的概念，方法区是 Java 虚拟机规范中的定义，是一种规范，而永久代是一种实现，一个是标准一个是实现，其他的虚拟机实现并没有永久代这一说法。

6.运行时常量池

• 概念

  运行时常量池（Runtime Constant Pool）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），用于存放编译器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

• 特点

  ①一般来说，除了保存Class中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中；

  ②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在编译期产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也能将新的常量方法池中，如String类的intern()方法

  ③既然是方法区的一部分，自然受方法区内存限制，无法申请到内存时会抛出OutOfMemoryError

7.直接内存

• 概念

  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的使用，而且也可能导致OutOfMemoryError

• 描述

  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堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用来操作。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

• 特点

  ①本机内存的限制不会受Java堆大小的限制，但是，既然是内存，肯定还是会受到本地总内存大小以及处理器寻址空间的限制

  ②配置虚拟机参数时，使得各个内存区域总和大于物理内存限制，从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError

三、HotSpot虚拟机对象探秘

1.对象的创建

语言层面，创建对象通常仅仅是一个new关键字而已，而在虚拟机中，对象的创建却要经历多个过程，如图

• STEP1：类加载检查
  • 虚拟机遇到一条new指令时，首先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
• Step2：内存分配
  • 对象所需内存的大小，在类加载完成后便可确定
  • 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
  • 对象分配的两种方式

    • 指针碰撞（Bump the Pointer）

    假设Java堆中的内存是绝对规整的，所有使用的内存都放在一边，空闲的内存放在另一边，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。

    • 空闲列表（Free List）

    如果Java堆中的内存并不是规整的，已使用的和空闲内存相互交错，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机必须维护一个列表，记录哪些内存是可用的，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。

    • 选用哪种分配方式？

    选用哪种分配方式由Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整又由所采用的的垃圾收集器是否具有压缩整理功能决定。因此，在使用Serial、ParNew等带Compact过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞；使用CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器时，通常采用空闲列表

    • 内存规整的算法：复制算法、标记-整理算法
    • 内存不规整的算法：标记-清除算法

  • 对象分配中的线程安全问题

    对象在虚拟机中的创建是非常频繁的行为，即使是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分配内存的情况。解决方案有两个：

    • 对分配内存空间的动作进行同步处理

      实际上，虚拟机采用CAS+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空间内进行

      即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，成为本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。那个线程要分配内存，就在哪个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB是，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

• Step3：初始化零值
  • 初始化零值，不包括对象头
  • 如果使用TLAB，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
• Step4：设置对象头
  • 虚拟机要对对象进行必要的设置
  • 例如，这个对象是哪个对象的实例、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头（Object Header）中
  • 根据虚拟机当前运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头都会有不同的设置方式
• Step5：执行init方法
  • 上述步骤执行完以后，从虚拟机角度来看，一个对象已经产生了；但从Java程序的视角来看，对象创建才刚开始——方法还没执行，所有字段都是零
  • 一般来说，执行new指令之后会接着执行方法，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

2.对象的内存布局

HotSpot虚拟机中，对象在内存中的布局可以分为三个区域：对象头、实例数据和对齐填充

• 对象头（Header）

  • 对象自身的运行时数据

    包括哈希码（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，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32bit和64bit，官方称它为 “Mark Word”

  • 类型指针

    类型指针即对象指向它的元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针

• 实例数据（Instance Data）

  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，都需要记录下来。

• 对齐填充（Padding）

  并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起到占位符的作用。由于HotSpot VM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，换句话说，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，就需要通过对齐填充来补全。

3.对象的访问定位

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。由于reference类型在Java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中的对象具体位置，所以对象访问方式取决于虚拟机的具体实现。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种

• 使用句柄
  • 概念
  使用句柄的话，Java堆中将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的具体地址信息
  • 优点
  reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时（垃圾回收），只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改

  

• 直接指针
  • 概念
  如果使用直接指针访问，那么Java堆中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，而reference中存储的直接就是对象地址
  • 优点
  速度更快，节省了一次指针定位的时间开销。

  

Sun HotSpot是使用直接指针进行对象访问的

参考

• 《深入理解java虚拟机》-周志明
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• 基于JDK1.8 分析运行时常量池、字符串常量池、各种常量池