Java&Android 基础知识梳理(3) 内存区域

1、概述

Java虚拟机在执行Java程序的过程当中会把它所管理的内存划分为若干个不一样的区域，它们有的随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而创建而销毁。 下面，咱们就分两个部分讨论：

• 线程隔离的数据区
• 全部线程共享的数据区

2、线程隔离的数据区

2.1 程序计数器

• 概念 程序计数器是当前线程所执行的字节码的行号指示器。字节码解释器工做时会经过改变这个计数器的指来取下一条须要执行的字节码指令。 若是线程正在执行的是Java方法，那么计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；若是正在执行的是Native方法，那这个计数器则为空。 此内存区域是惟一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OOM状况的区域。
• 为何须要线程隔离 因为Java虚拟机的多线程是经过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，所以，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都须要有一个独立的程序计数器。

2.2 Java虚拟机栈

• 概念 虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型，每一个方法在执行的同时会建立一个栈帧，用于存储局部变量表、操做数栈、动态连接、方法出口等信息。 局部变量表：存放了编译期可知的各类基本数据类型（boolean/byte/..），对象引用（指向对象起始地址的引用指针，或者是指向一个表明对象的句柄，或者是其它与此对象相关的位置）和returnAddress地址。 局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法须要在栈中分配多大局部变量空间是彻底肯定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。 每个方法从调用到执行完成的过程，就对应一个栈帧在虚拟机栈中出栈到入栈的过程。
• 为何须要线程隔离 由于每一个线程所执行的逻辑和时序不一样，因此它们的虚拟机栈天然也就不会必定相同，所以不能共用。
• 异常 若是线程请求的栈深度大于虚拟机所容许的深度，会抛出StackOverflowError异常；若是虚拟机栈能够动态扩展，当扩展时没法申请到足够的内存，就会抛出OOM。

2.3 本地方法栈

• 概念 和Java虚拟机方法栈相似，不过本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法，有些虚拟机（譬如HotSpot）直接将本地方法栈和虚拟栈合二为一。
• 异常 和虚拟机栈相同。

3、线程共享的数据区

3.1 Java堆

• 概念 Java堆在虚拟机启动时建立，它的目的是存放对象实例，它也是垃圾收集器管理的主要区域。 Java堆能够处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上连续便可，在实现上，既能够实现成固定大小的，也能够是可扩展的。
• 异常 若是在堆中没有内存完成实例分配，而且堆也没法再扩展时，会抛出OOM异常。

下面咱们讨论一下堆中的对象分配、布局和访问过程：

3.1.1 对象的建立

对象的建立分为如下几步：

• 第一步：当虚拟机遇到一条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，而且检查这个符号引用表明的类是否已经被加载、解析和初始化过，若是没有，那么必须执行相应的类加载过程，
• 第二步：接下来虚拟机将为新生对象分配内存，对象所需内存的大小在类加载完成后即可肯定，分配的方式有两种：
• 指针碰撞：用过和空闲的内存以指针做为分界点的指示器，分配内存就是把指针向空闲空间那边挪动一个与对象大小相等距离，这种方式要求内存是规整的。
• 空闲列表：维护一个列表，记录哪些内存是可用的，在分配和回收时更新列表。

多线程的问题下的解决方案：

• 对分配内存空间的动做进行同步，虚拟机上采用CAS配上失败重试的方式保证更新操做的原子性。

• 每一个线程在Java堆中预先分配一小块内存，成为本地线程分配缓冲TLAB，哪一个线程须要分配内存，就在哪一个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完须要分配新的TLAB才须要同步。

• 第三步：在内存分配完成，把除了对象头以外的分配到的内存空间都初始化为零值，接下来就是对对象进行必要的设置，这些信息存放在对象头中。

• 第四步：当对象头设置完毕以后，从虚拟机的视角来看，新的对象就产生了，接着就执行<init>方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化。

3.1.2 对象的内存布局

对象在内存中存储的布局能够分为三个区域：对象头、实例数据、对其填充。

• 对象头

• 存储对象自身的运行时数据：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，所占位数和虚拟机位数相同。

• 类型指针：对象指向它的类元数据的指针，虚拟机经过这个指针来肯定这个对象是哪一个类的实例

• 若是对象是一个Java数组，那么在对象头中还必须有一块记录数组长度的数据。

• 实例数据 包括在父类和子类中所定义的各类类型的字段内容，存储顺序收到虚拟机分配策略参数的影响，相同宽度的字段老是被分配到一块儿，在知足这个前提条件下，父类中定义的变量会出如今子类以前。

• 对齐填充 HotSpot要求对象的大小必须是8字节的整数倍，而对象头部分正好是8字节的整数倍，当对象实例数据部分没有对齐时，就须要经过对齐填充来不全。

3.1.3 对象的访问

对象的访问有两种方式：

• 使用句柄，Java堆中划分出一块内存做为句柄池，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各自的地址信息。 优势：reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时，只会改变句柄中的实例数据指针，而reference自己不须要修改。
• 直接指针：在Java堆对象的布局中放置访问类型数据的相关信息，reference中存储的直接就是对象地址。 优势：速度快，HotSpot采用的就是这种方式。

3.2 方法区

• 概念 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。
• 为何把方法区称为“永久代” HotSpot选择把GC分代收集器扩展至方法区，或者说用永久代来实现方法区，这样HotSpot的垃圾收集器能够像管理Java堆同样管理这部份内存，可以省去专门为这个方法区编写内存管理的代码。 对这区域的内存回收主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。
• 异常 当方法区没法知足内存分配需求时，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类字面量和符号引用，这部份内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。 并不是预置入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。 当常量池中没法再申请内存，就会抛出OOM异常。