深入理解Java虚拟机-内存区域

运行时数据区域

程序计数器（Program Counter Register）

程序计数器是一块很小的内存空间，它可以看作是当前线程执行的字节码的行号指示器。如果线程执行的是一个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，则这个计数器值则为空。程序计数器是Java虚拟机规范中唯一一个没有OutOfMemoryError的内存区域。

线程私有的概念：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，一个处理器都只会执行一条线程中的指令。为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，堵路存储，我们称这类内存区域为“线程私有”。

程序计数器是线程私有的。

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

Java虚拟机栈是线程私有的，描述的是Java方法体执行的内存模型：每个方法都会创建一个栈帧（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。每个方法的调用直至执行完成的过程，就是栈帧在Java虚拟机栈中的出栈和入栈过程。

局部变量表存放的是各种基本数据类型、对象的引用类型和returnAdress类型。

Java虚拟机栈会存储两种异常情况：

• 当线程请求的栈深度超出虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverFlowError异常
• 如果虚拟机栈允许动态扩展，如果扩展是无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常

-Xss128k：虚拟机栈的大小 在内存容量有限的情况下，栈越大，有可能越容易出现内存溢出的异常。

异常关键字：StackOverFlowError

本地方法栈

Java虚拟机栈是对Java方法服务的，本地方法栈是对Native方法服务的。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式和数据结构都没有强制的规定，因此虚拟机可以自由的实现它。本地方法栈也会抛出StackOverFlowError和OutOfMemoryError异常

Java堆（GC 堆）

Java堆是线程公有的

Java堆包括：Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等，再概括一点就是新生代和老年代

Java堆存放所有的实例对象和数组。随着栈上分配、标量替换等优化技术的运用，这句话也渐渐变得不是那么绝对。

Java堆如何解决分配对象内存时的线程安全问题：

• 对分配内存的动作进行同步处理：虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性
• 通过线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer,TLAB）实现.即每个线程在Java堆中先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（TLAB）,那个线程需要分配内存，就在哪个线程上的TLAB上分配，只有TLAB分配并分配新的TLAB时，才需要同步锁。通过参数-XX:+-UserTLAB可开启TLAB

Java堆只需要在逻辑上连续即可，Java堆也可以扩展。当Java堆中没有内存完成实例对象或数组分配，并且无法完成堆扩展时，将会抛出OutOfMemoryError。

-Xms20M:堆的最小值
-Xmx20M：堆的最大值
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemeoryError 发生内存溢出时dump出当前内存堆转储快照

异常关键字：Java heap space

方法区

方法区是线程公有的

方法区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虚拟机规范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Non-Heap（非堆），目的是为了和Java堆区分开来。

HotSpot虚拟机将方法区称为“永久代”（Permanent Generation）

当方法区无法满足内存需要时，抛出OutOfMemoryError异常。

运行时常量池

运行时常量时方法区的一部分。编译期生成的各种字面量和符号引用，在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

运行时常量池具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，在运行期间也可能将新的常量放入池中。

运行时常量池的大小会受到方法区内存大小的限制，当常量池无法再申请时会抛出OutOfMemoryError异常。

-XX:PermSize=10M 永久代的初始值（方法区）
-XX:MaxPermsize=10M 永久代的最大值（方法区）

异常关键字：PermGen space

直接内存

直接内存并不是Java虚拟机运行时内存数据区的一部分，它不受Java堆大小的限制，但是会受到本机总内存的限制，当无法动态扩展时会出现OutOfMemoryError异常。

NIO类就会用到直接内存，它使用Native函数直接分配堆外内存，通过存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。

-XX:MaxDirectMemorySize=10M 设置直接内存的大小，如果不指定，则和Java堆的最大值一样

Java虚拟机中的对象

对象的创建

对象创建的内存分配方式有两种：

• 指针碰撞（Bump the Pointer）：假定Java堆的内存空间是绝对规整的，用过的内存放一边，空闲的内存放一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，分配内存时只需要将指针往空闲内存挪动一段与对象大小相等的距离。在使用Serial、ParNew收集器时，系统采用的是指针碰撞的分配算法。
• 空闲列表（Free List）：假定Java堆的内存空间是不规整的，已使用的内存和空闲内存相互交错，虚拟机会维护一个列表，记录哪块内存可用，在对象创建时从中找到一块足够大小的内存分配给实例对象，并更新列表记录。CMS收集器采用的是空闲列表分配算法。

对象的内存布局

对象在内存的布局分为三大区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）

对象头包含两部分：

• 第一部分用来存储对象自身运行时的数据，如哈希码、GC分代年龄、锁状态标识、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等。如果是数组，还会存储数组的长度数据
• 另外一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针确定这个对象是哪个类的实例。并不是所有类型的虚拟机都会保存这个类型指针

实例数据真正存储对象的有效信息，也是程序代码中所定义的各种类型的字段内容。存储的顺序受到虚拟机分配策略参数（FieldsAllocationStyle）和字段在Java源码中定义顺序的影响。HotSpot虚拟机分配策略参数为longs/doubles、ints、shorts/chars
、bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers）,相同宽度的字段总是被分配到一起。

对齐填充：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，也就是说对象的大小必须是8字节的整数倍。因此，当对象实例数据部分没对齐是，就需要通过对其填充来补全。

对象的访问

Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象，reference存储的是一个指向对象的引用。访问的方式有两种：

• 句柄访问：Java堆划分一块内存作为句柄池，reference存储的是对象的句柄地址，而句柄包含了对象实例数据和类型数据（方法区）各自的具体地址信息
• 直接指针访问：reference存储的是对象的地址，其中包含对象的实例数据，和指向对象类型数据（方法区）的地址

句柄访问的好处是reference中存储的信息是稳定的，在对象被移动后只会改变句柄中实例数据的指针，而reference本身不需改变
直接指针访问的和好处是速度更快，它节省了一次指针定位的时间。