前言

 JVM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一直存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立与销毁。
 JVM所管理的内存包括以下几个区域：

JVM运行时数据区

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1 程序计数器

定义

• 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行号指示器。

为什么是线程隔离的数据区？

• 由于JVM的多线程是通过线程轮流i切换、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，一个处理器都只会执行一条程序中的指令。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。
• 如果程序正在执行Java方法，计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令地址；如果正在执行的是Native方法，计数器值为空（undefined）

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2 Java虚拟机栈（VM Stack）

定义

• -描述的是Java方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，JVM都会同步创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。

为什么是线程隔离的数据区？

• 因为Java虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型，每个线程执行的时间和顺序不一定相同，所以栈帧也一定相同。

异常

• 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，抛出StackOverflowError。
• 如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存抛OutOfMemoryError。

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3 本地方法栈（Native Method Stack）

定义

• 和Java虚拟机栈相似，描述的是本地方法执行的线程内存模型。

虚拟机异同

• 虚拟机可以根据需要自由实现本地方法栈
• HotSpot虚拟机直接把虚拟机栈和本地方法栈合二为一

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4 Java堆

定义

• 所有的对象实例以及数组都应当在堆上分配。

为什么是线程共享的？

• 因为是内存中最大的一块，并且是垃圾收集器管理的内存区域。

异常

• 如果在Java堆没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，抛出OutOfMemoryError。

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5 方法区

定义

• 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等数据。
• 《Java虚拟机规范》中把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做非堆（Non-Heap）目的是与Java堆区分开来。

异常

• 如果方法无法满足新的内存分配需求时，抛出OutOfMemoryError。

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6 运行时常量

定义

• 方法区的一部分，用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，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。

什么是Class常量池？

• 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进入方法区的运行时常量池中存放。

运行期间能将新的常量放入池吗？

• 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，运行期间也可能将新的常量放入池中，例如String类的intern方法。

异常

• 当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError。

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7 直接内存

 直接内存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，但是这部分也被频繁使用。
定义

• NIO类引入一种基于通道与缓冲区的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。
  异常
• 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。

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8 对象

 以虚拟机HotSpot和常用的内存区域Java堆为例，探讨Java堆中对象分配、布局和访问的全过程。

8.1 创建对象

 创建对象分为以下 四步：
①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能在常量池中定位到一个类的符号引用，并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，则必须执行相应的类加载过程。
②在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。有以下两种分配方法：

• 指针碰撞：在规整的内存中，以指针作为使用过的内存和空闲内存的分界点指示器，把指针向空闲方向挪动一段与对象大小相等的距离。
• 空闲列表：虚拟机维护一个列表，记录可用内存，分配时从列表中找到一块合适的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录。

对象创建在虚拟机中时非常频繁的行为，但是在并发情况下也不是线程安全的。解决这个问题有两种可选方案：
一、虚拟机采用CAS配上失败重试的方法保证更新操作的原子性；
二、在每个线程Java堆中预先分配一小块内存，成为本地线程分配缓冲TLAB，哪个线程需要分配内存，就在哪个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完需要分配新的TLAB才需要同步。

③内存分配完成之后，虚拟机必须将分配到的内存空间（不包括对象头）都初始化为零值，如果使用了TLAB，则可提前至TLAB分配时顺便进行。之后对对象进行必要的设置，这些信息将存放在对象的对象头之中。
④从虚拟机的视角看，一个新的对象已经产生。接着执行<init>()方法，按照程序员的意愿对对象进行初始化，一个真正的对象才算被完全构造出来。

8.2 对象的内存布局

 在HotSpot虚拟机里，对象在堆内存中国的存储布局可以划分为三个部分：对象头、实例数据和对其填充。
对象头
 HotSpot虚拟机对象的对象头部分包括两类信息。

• 第一类部分用于存储对象自身运行时数据（HashCode、GC分代年龄等等）
• 第二类是指针类型，即对象指向它的类型元数据的指针，通过这个指针确认对象是哪个类的实例。

实例数据

• 对象真正存储的有效信息，即我们在程序代码里定义的各种类型的字段内容。

对齐填充

• 占位符，目的是为了保证对象的大小是8字节的整数倍。

8.3 对象的访问定位

 《Java虚拟机规范》规定reference只是一个对象的引用，没有定义引用通过什么方式去定位和访问堆中对象的位置。主流的访问方式主要有使用句柄和直接指针两种：

• Java堆中将可能划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储句柄地址，句柄包含了对象的实例数据与类型数据各自的地址信息。
• reference中直接存储对象的地址。

句柄访问的优缺点

• 优点：句柄处于稳定位置，内存整理时reference不需要被改变（垃圾回收时移动对象是一种常见的现象）。
• 缺点：多了一次定位开销

直接指针的优缺点

• 与句柄相反，内存整理时reference要改变，但是访问对象时少了一次指针定位的开销。

  
  

总结

• Java内存结构可以大致分为由所有线程共享的数据区和线程隔离的数据区。
• 方法区也属于逻辑上的堆，在HotSpot中VM stack和Native Method Stack合并在一起，因此可以大致分为堆栈、程序计数器。
• 对象访问定位的方法各有优势，不同虚拟机实现不同。