Java虚拟机-java内存区域

运行时数据区域

 

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大小不一样的数据域；
这些区域都有各自的用途，以及建立和销毁时间，有的区域会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和销毁。

 

程序计数器：

程序计数器是一块较小的内存空间，能够看做当前线程所执行的字节码的 信号指示器；

因为Java虚拟机的多线程是经过线程轮流转换并分配处理执行时间的方式来实现的，在任何一个肯定的时刻，一个处理器都只会执行一条线程中的指令。所以，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置， 每条线程都须要一个独立的程序计数器 。

各条线程之间的程序计数器互不影响，独立存储，这类内存区域为“线程私有”的内存；

 

Java虚拟机栈：

Java虚拟机栈也是 线程私有 的，它的生命周期与线程相同。

虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务

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都会建立一个栈帧用于 存储局部变量表、操做数栈、动态连接、方法出栈口 等信息。

每个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从进栈到出栈的过程 。

局部变量表存放了编译期可知的各类基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型）和returnAddress类型；

其中  64 位长度的 long  和 double 类型会占用  2 个局部变量空间，其他数据类型只占用  1 个。

局部变量表所须要的内存空间在编译期间完成分配。

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了2中异常状况：

一、若是线程 请求的栈深度大于虚拟机所容许的深度 ，将会抛出 StackOverflowError （ 栈溢出 ）异常；

二、若是虚拟机栈能够动态扩展，若是 扩展时没法申请到足够的内存 ，将会抛出 OutOfMemoryError （内存溢出）异常；

本地方法栈：

本地方法栈则是虚拟机使用到的Native方法服务；
本地方法栈与虚拟机栈同样，也有2个异常状况：
一、若是线程请求的栈深度大于虚拟机所容许的深度，将会抛出StackOverflowError异常；
二、若是虚拟机能够动态扩展，若是扩展时没法申请到足够的内存，将会抛出OutOfMemoryError异常；

 

Java堆：

虚拟机管理的内存中最大的一块，同时也是被 全部 线程所共享 的，它在虚拟机启动时建立，此内存区域的惟一目的就是存放对象实例，几乎全部的 对象实例以及数组都要在这里分配内存 。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，这里面的对象被自动管理，也就是俗称的  GC （  Garbage Collector ）所管理。

Java 堆的容量能够是固定大小，也能够随着需求动态扩展（  -Xms 和 -Xmx  ），并在不须要过多空间时自动收缩。

Java 堆所使用的内存不须要保证是物理连续的，只要逻辑上是连续的便可。

JAVA 堆的分类：从内存回收的角度看，  java 堆可细分为： 新生代、老年代 ，再细一点还可划分为  Eden 空间、 From Survivor  空间、 To Survivor 空间 等。

从内存分配的角度来看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的 分配缓冲区（TLAB） ；

JVM 实现应当提供给程序员调节  Java  堆初始容量的手段，对于可动态扩展和收缩的堆来讲，则应当提供调节其最大和最小容量的手段。

若是堆中没有内存完成实例分配而且堆也没法扩展，就会抛  OutOfMemoryError 。

方法区：

在Java 虚拟机规范中，将方法区做为堆的一个逻辑部分来对待，但事实上，方法区并非堆，另外，很多人将 Java GC 的分代收集机制分为 3个代：青年代，老年代，永久代，这些做者将方法区定义为 “ 永久代” ，这是由于对于以前的 HotSpot 虚拟机的实现方式中，将分代收集的思想扩展到了方法区，并将方法区设计成了永久代。不过除 HotSpot 以外的多数虚拟机，并不将方法区看成永久代， HotSpot 自己也计划取消永久代。
跟堆同样是被各个 线程共享的内存区域  ，用于存储以被虚拟机 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。虽然这个区域被虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，可是它的别名叫非堆，用来与堆作一下区别。
方法区在虚拟机启动的时候建立。
方法区的容量能够是固定大小的，也能够随着程序执行的需求动态扩展，并在不须要过多空间时自动收缩。
方法区在实际内存空间中能够是不连续的。
Java虚拟机实现应当提供给程序员或者最终用户调节方法区初始容量的手段，对于能够动态扩展和收缩方法区来讲，则应当提供调节其最大、最小容量的手段。
通常方法区上执行的垃圾收集是不多的，这也是方法区被称为永久代的缘由之一（ HotSpot ），但这也不表明着在方法区上彻底没有垃圾收集，其上的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。
当方法区没法知足内存分配需求时就会抛 OutOfMemoryError 。

 

运行时常量池：
它是方法区的一部分。
Class文件中除了有 类的版本、字段、方法、接口 等描述等信息外，还有一项信息是 常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各类字面量和符号引用、翻译出来的直接引用 （符号引用就是编码是用字符串表示某个变量、接口的位置，直接引用就是根据符号引用翻译出来的地址，将在类连接阶段完成翻译）；这部份内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。
Java虚拟机对Class文件的每一部分（天然也包括常量池）的格式都有严格的规定，每个字节用于存储哪一种数据都必须符合规范上的要求，这样才会被虚拟机承认、装载和执行。但对于运行时常量池，Java虚拟机规范没有作任何细节的要求，不一样的提供商实现的虚拟机能够按照本身的须要来实现这个内存区域。不过，通常来讲，除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。
运行时常量池相对于Class文件常量池的另一个重要特征是 具有动态性 ，Java语言并不要求常量必定只能在编译期产生，也就是并不是预置入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，这种特性被开发人员利用得比较多的即是String类的intern()方法。
既然运行时常量池是方法区的一部分，天然会受到方法区内存的限制， 当常量池没法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常；

 

直接内存：
直接内存并非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。可是这部份内存也被频繁使用，并且也会致使OutOfMemoryError异常；
在 JDK1.4 中新加入了 NIO 类，引入了一种基于 通道与缓冲区的I/O 方式，它可使用 Native函数库 直接分配 堆外内存 ，而后经过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象做为这块内存的引用进行操做。
这样能在一些场景中显著提升性能，由于 避免了在Java堆和Native堆中回来复制数据 。

 

 

HotSpot虚拟机对象探秘
虚拟机遇到一条new指令时
1.     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被加载、解析和初始化过。若是没有，那必须先执行相应的类加载过程
2.     在类加载检查经过以后，接下来虚拟机将 为新生对象分配内存 。对象所须要的内存大小在类加载完成后即可以彻底肯定，为对象分配空间的任务等同于把一块肯定大小的内存从Java堆中划分出来。
若是Java堆中的 内存是绝对规整 的，可使用“ 指针碰撞 ”的分配方式（用过的内存放在一边，空闲的内存放在一边，中间放着一个指针做为分界点的指示器，分配内存就是仅仅将中间的指针向空闲内存那边挪动一段与对象大小相等的距离）。；
若是Java堆中的 内存并不规整 ，可使用“ 空闲列表 ”分配方式（用过的内存和空闲的内存相互交错，虚拟机就必须维护一个列表，记录哪些内存块是可用的，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示例，并更新列表上的记录）；
选择那种分配方式是由Java堆中内存是否规整决定的。Java堆中内存是否规整是由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定的。
除了划分可用空间以外，还要考虑对象建立在虚拟机中是否频繁， 在并发状况下也并非线程安全的 。
解决这个问题有 两个解决方案 ：一种是对分配内存空间的动做进行 同步处理 —实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操做的原子性；另外一种是把内存分配的动做按照 线程划分在不一样的空间之中进行 ，即每一个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（TLAB）。
3.     内存分配完成以后，虚拟机须要将分配到的内存空间都初始化为零（不包括对象头）。
若是使用TLAB，这一项工做过程也能够提早至TLAB分配时进行。
这步操做保证了对象的实例字段在Java代码中能够不赋初始值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。
4.     虚拟机要对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪一个类的实例、若是才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息，这些信息存放在对象的对象头中。

 

对象的内存布局
HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局能够分为：对象头，实例数据和对齐填充；
对象头 分为2个部分：一部分用于存储对象自身的运行数据，如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志等；另外一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机经过这个指针来肯定这个对象时哪一个类的实例。
实例数据 部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各类类型的字段内容。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数和字段在Java源码中定义的顺序的影响
对象填充 并非必然存在，也没有特别的含义。由于HotSpot虚拟机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。
当对象实例数据部分没有对齐时，就须要经过对象填充来补全。

 

对象的访问定位
对象的访问方式时取决于虚拟机实现而定的。目前主流的访问方式有 句柄 和 直接指针 两种
句柄：

使用句柄，那么Java堆中就要分出一块内存做为句柄池。

reference中存储的是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据和对象类型数据各自的具体地址信息；

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：

若是使用直接指针方式，那么Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的信息。

 

reference中存储的直接就是对象的地址；

 

优势 ：避免了一次指针定位的时间开销，速度快。