JVM虚拟机(三)：Java内存区域

运行时数据区

  Java虚拟机再执行Java程序过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同分工的数据区域。

程序计数器

  程序计数器时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。分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础操作都需要依赖它来完成。为了保证线程切换后能恢复到正确的执行位置，每天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。这类内存区域为"线程私有"的内存，该区域不存在GC，不存在OOM。

Java虚拟机栈

  与程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。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、动态链接、方法出口等信息。方法执行完毕栈帧从虚拟机栈中弹出。

  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，他并不等同于对象本身，可能是执行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对象相关的位置)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存储空间以局部变量槽存储，其中double和long类型会占用两个变量槽，其余数据类型只占用一个。此区域不存在GC、存在OOM。

本地方法栈

  本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用非常相似，其取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本地方法服务。

Java堆

  Java堆是被所有线程共享的一块区域，在虚拟机启动时创建。几乎所有的对象实例以及数组都应当在堆上分配。所有线程共享的Java堆中可以划分出多个线程私有分配缓冲区，以提升对象分配时的效率。它可以被实现成拱顶大小的，也可以时可扩展的(通过-Xmx和-Xms设定)。如果在Java堆中没有内存完成实力分配，并且堆也无法再扩展时，Java虚拟机将会抛出OOM。

方法区

  方法区和Java堆一样，是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数据。JDK1.8以前，方法区放在Java堆的永久代中。自JDK1.8将方法区转移到元空间中。如果方法区无法满足新内存分配需求时，将抛出OOM。

运行时常量池

  运行时常量池是方法区的一部分。Class文件编译后的常量池，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。运行时常量池相对于Class文件常量池还有另外一个重要的特征是具备动态性，也就是在运行期间也可以将新的常量放入常量池。当常量池无法再申请到内存时会抛出OOM。

对象探索

对象创建

  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在常量池中存在类的符号引用，前检查这个符号引用代表的类是否被加载、解析和初始化过。如果没有先执行相应的类加载过程。在类加载检查通过后，为新生对象分配内存。对象的内存大小在加载完成后便可完全确定，在堆内存中划分一块对应大小的内存空间。

  假设Java堆中的内存是绝对规整的，所有使用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放一个指针作为分界点的指示器，那么分配内存就是把指针向空闲空间方向挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式叫“指针碰撞”。

        

  Java队中的内存并不是规整的，已被使用和空闲的内存相互交错在一起，这时虚拟机必须维护一个列表，记录哪些内存是可用，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，并更新列表上的记录，这种分配方式叫“空闲列表”。

        

  解决线程安全问题的两种方案：一种是对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机时采用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堆种预先分配一小块内存，称为本地线程缓冲(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种分配，只有本地缓冲区用完了，分配新的缓冲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。

对象的内存布局

  对象在堆内存中的存储布局可以划分为三个部分：对象头(Header)、实例数据(Instance Data)和对齐填充(Padding)。

• 对象头：对象头包含两部分，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。第二部分是类型指针，即对象指向它类型元数据的指针，JVM通过这个指针来确定对象是哪个类的实例。
• 实例数据：存储对象真正的有效信息，即在程序代码里面所定义的各种类型的字段内容。
• 对齐填充：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

  对象引用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，Java堆中将可能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和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防止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。

  
  注意：上图中出现错误，应该是到对象类型数据的指针。