Java运行数据区/堆/栈

JVM Runtime Data Area（运行数据区）

根据《Java虚拟机规范(Java SE 7版)》规定，JVM所管理的内存包括：

• 线程共享：堆区，方法区和运行常量池（位于方法区）；
  
• 线程私有：程序计数器，栈区，本地方法栈；
  

PC Register（程序计数器）

• 程序计数器与线程生命周期保持一致，存储当前线程执行的方法字节码指令地址（如果是native方法，程序计数器存储值为undefined），解释器负责解释程序计数器中的指令，提交OS执行；
  
• 线程私有原因：多线程场景下，CPU上下文切换频繁，为每个线程分配一个程序计数器，可以准确记录各线程正在执行的字节码指令地址，防止各线程互相干扰；

Native Method Stack

与Java栈区不同，本地方法栈为虚拟机使用的native方法服务。当程序通过JNI(Java Native Interface)调用native方法（C/C++代码），根据调用语言类型建立对应栈；

Method Area（方法区）

类加载子系统(Class Loader)将字节码文件加载到方法区，因此方法区存储Java类的元数据/类型数据（类加载信息，常量，static变量，方法字节码），被各个线程共享；

• 在Java SE7规范中方法区不属于堆；
  
• 在HotSpot虚拟机中，方法区仅仅逻辑上独立，物理上属于Java堆区，在没有显式回收方法区内存的情况下，GC只回收方法区中的废弃常量和无用的类，因此称为在堆中称为永久代(Permanent Generation)；
  

★ 判断一个类是否可被回收的条件

1. Java堆区中不存在该类的任何实例；
   
2. 加载该类的ClassLoader已经被回收；
   
3. 该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用，无法通过反射访问该类方法；
   

★ 运行时常量池(constant pool)

在HotpSpot for JDK1.7之前，运行常量池属于方法区，可被GC回收，JDK1.7版本已计划逐步移出方法区；

C/C++中的栈与堆

• 栈内存：所有局部变量，形式参数都在栈中分配内存，退出函数时自动销毁栈中内容，性能较高；栈中所分配内存大小是在编译时确定，在程序运行时进行；
  
• 堆内存：在程序运行时，由程序向OS动态申请，由操作系统进行内存分配，因此在分配和销毁时与栈相比，性能较低；堆中所分配内存大小和生命周期在程序运行时确定和进行；
  

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Java堆区/线程共享

堆区的生命周期与虚拟机相同，一个虚拟机实例对应一个堆区；

堆区划分

 

根据分代收集算法思想，将堆区划分为新生区，养老区和永久区；

1. 新生区(Young Generation)：所有对象在该对象被创建，新生区又分为Eden空间，From Survivor空间和To Survivor空间；

• HoptSpot默认Eden区和一个Survivor区的大小比例是8:1，用参数-XX:SurvivorRatio设置；

2. 养老区(Old Generation)：需要大量连续内存空间的Java对象（典型代表如字符串或者数组）直接在养老区中分配内存；

• 直接1：对象大小大于Eden + From Survivor区大小，直接在养老区分配内存；
• 直接2：虚拟机提供-XX:PretenureSizeThreshold参数，令大于这个阈值的对象直接在养老区分配；
  
• PretenureSizeThreshold参数只对Serial和ParNew两个收集器有效，对Parallel Scavenge收集器无效；

3. 永久区(Permanent Generation Space)：即属于堆的方法区；

堆区存储数据

堆内存：通过new创建的对象和/数组都在堆中分配内存，主要用来存放对象；

堆区创建对象过程

1. 虚拟机遇到new指令时，首先去检查该指令的参数能否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经被加载，解析和初始化过。
   
2. 类装载过程完成后，即可确定对象内存大小，接下来JVM将要对其进行内存分配（涉及到线程安全机制和GC机制）；
   
3. 分配完内存后，JVM会初始化对象头和实例数据，最后将对象引用入栈，更新程序计数器中的字节码指令地址；

对象分配内存

堆区内存规整时，采用指针碰撞算法进行内存分配，适用于Serial, ParNew等带标记-整理过程的收集器；

堆区内存不规整时，采用空闲链表进行内存分配，适用于CMS这种带有标记-清除的收集器；

保证对象内存分配的线程安全机制

• TLAB：为每个线程在Eden区中划分一片私有内存，称为本地线程分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer, TLAB)；
  
• 类装载完成后JVM优先选择TLAB给对象分配内存；TLAB空间默认仅占Eden区的1%，当对象在TLAB空间内存分配失败，JVM通过加锁保证分配操作的原子性，然后直接在Eden区中分配内存；
  

对象内存布局（堆区）

 

在HotSpot虚拟机中，对象在堆中分为三部分存储：对象头，实例数据和对齐填充；

• 对象头(Mark Word)：
  
• 存储对象自身的运行数据，大小是8字节的整数倍；
• 对象头元数据指针，对象指向方法区中类元数据的指针，虚拟机通过该指针确定对象是哪一个类的实例，确定对象大小；
• 对于Java数组，对象头中必须额外记录数组长度，因为虚拟机无法从数组的类型数据中确定数组大小；
• 实例数据；
  
• 对齐填充：由于HotSpot VM的内存管理系统要求对象大小必须是8字节的整数倍，当对象实例数据部分没有对齐时，对齐填充负责补全；
  

堆区的优缺点

• 优点：可以动态分配内存大小，对象生命周期不必事先告诉编译器，Java GC负责回收堆内存；
  
• 缺点：由于在运行时动态分配内存，导致访问速度比栈慢；

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Java栈区/线程私有

Java栈区又被称为Java虚拟机栈，Java栈区主要用于存储栈帧；

栈的生命周期：栈的生命周期与线程相同，栈内存不存在GC过程，不同线程中的栈帧不存在相互引用；

栈内存：函数中定义基本类型变量和对象引用都在栈中分配内存，主要用来执行程序；

栈区的优缺点

• 优点：访问速度比堆快，仅次于直接位于CPU的寄存器
  
• 缺点：存在栈中的数据大小和生命周期必须时确定的；

栈帧(Stack Frame)

栈中数据以栈帧(stack frame)形式存在，每个栈帧是一个实际的内存块，栈帧中主要保存3类数据：

• 局部变量表(local variables)：输入/输出参数，方法内的临时变量，在编译阶段确定大小；
  
• 操作数栈(operand stack)：记录出栈/入栈操作，在编译阶段确定大小；
  
• 动态链接(frame data)：指向运行时常量池中该帧所属方法的引用；
  
• 方法返回地址；一旦方法在执行过程中遇到字节码返回指令时，将方法返回值返回给它的调用者；
• 其他额外信息；

在线程中，只有位于栈顶的栈帧有效，称为当前线程(Current Stack Frame)；

栈帧与方法

栈帧是线程中方法的执行环境。每一个方法被调用时，JVM会创建一个与之对应的栈帧，负责存储方法执行所需的各项数据信息，每一个方法从调用到执行结束，伴随着一个独立的栈帧从入栈到出栈的过程；

栈帧：局部变量表

局部变量表用于存储方法参数和在方法内部定义的局部变量，容量大小在编译阶段确定（保存在.class文件中Code属性）；

局部变量表的存储单元是变量槽(Slot)，JVM为每一个Slot分配一个访问索引，通过该索引即可访问指定局部变量；

• 1个Slot可以存储boolean/byte/char/short/float/reference/returnAddress（指向字节码指令地址，已过时），2个Slot可以存储long和double的64位数值（高位对齐的方式连续分配2个Slot）；
  
• 单个Slot大小不固定，一般默认为32位；
  

栈帧：操作数栈

操作数栈本质是一个后入先出栈，JVM通过标准的出栈/入栈数据类型或字节码指令，来解释执行字节码；

操作数栈中的存储单元可以为任意Java数据类型，32位数据类型栈空间为1，64位数据类型栈空间为2，

如果指定在栈中为对象分配内存？

通过逃逸分析技术（用于分析出对象的作用域）筛选出未发生逃逸的对象，然后直接在栈帧中为对象分配内存空间

1. 对象逃逸：当定义在方法体中的对象被方法体外部引用时，对象发生“逃逸”；
   
2. ★ 对象未逃逸：定义在方法体内的对象未被任何外部成员引用，虚拟机在栈帧中为该对象分配内存空间
   

• 对象在栈上分配空间后，生命周期与栈帧相同，无需GC进行垃圾回收；
• 方法被调用时，栈上对象随着栈帧一同被创建；方法执行结束后，随着栈帧出栈被一并销毁；

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引用定位对象

引用分类

• 强引用/StrongReference：引用明确指向对象，GC运行时不回收；
  
• 软引用/SoftReference：内存不足时，运行GC时回收，用于实现内存敏感的高速缓存；
  
• 弱引用/WeakReference：无论当前内存是否足够，GC运行时会立即回收被弱引用关联的对象；
  
• 虚引用/PhantomReference：类似于无引用，无法通过虚引用获取对象实例，
• 为对象设置虚引用关联的唯一目的是在该对象被回收时，获取一个系统通知；
• 主要跟踪对象被回收的状态，必须与引用队列/ReferenceQueue联合使用，不允许单独使用；

引用定位对象

引用定位对象的主流方式分为：句柄和直接指针两种

通过句柄

堆中专门分配一块内存作为句柄池，引用中存储的是对象的句柄地址，句柄中包含对象实例数据地址和类型数据地址；

优点：对象移动时，引用本身不用修改，只需修改句柄中的实例数据指针；

通过直接指针

 引用直接存储对象在堆区中的地址，速度更快，HotSpot虚拟机采用该方式定位对象；

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OutOfMemoryError/内存溢出错误

Java堆溢出

• Java堆中用于存储对象实例，在GC清楚对象的前提下，对象数量达到堆的最大容量限制后产生内存溢出异常；
  
• -Xmx 设置堆区最大值
  

Java栈溢出

• 在单线程下，线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，当内存无法分配时，抛出StackOverflowError异常；
  
• 在多线程下，由于操作系统分配给每个进程的内存容量有限制，不断建立线程会抛出OutOfMemoryError异常；

• -Xss 设置Java栈大小；
• -Xoss 设置本地方法栈大小（HotSpot虚拟机并不区分Java栈和本地方法栈，因此-Xoss参数实际无效）；

运行时常量池溢出

由于常量池分配在永久代（方法区）中，通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法区大小间接限制常量池大小；

方法区溢出

本机直接内存溢出

• 本地直接内存不是虚拟机运行时数据区的一部分，本质是本机内存；
  
• 当虚拟机中各部分区域内存总和超过物理内存限制时，抛出OutOfMemoryError异常；
  
• -XX:MaxDirectMemorySize指定直接内存大小，如果不指定，默认与Java堆最大值一样；