JAVA内存区域

注：阅读《深入理解java虚拟机》笔记

运行时数据区域

java虚拟机运行时数据区

程序计数器

程序计数器是一块内存较小的空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

由于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(对于多核处理器来说是一个内核)都只会执行一条线程中的指令。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，各条线程之间计数器互不影响，独立存储。

如果线程正在执行的是一个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，这个计数器值则为空。此内存区域是唯一一个在JAVA虚拟机规范中没有规定任何OutoFMemoryErr情况的区域。

java虚拟机栈

与程序计数器一样，java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个帧栈用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一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入栈到出栈的过程。粗略划分中堆、栈中的栈指的就是java虚拟机栈，或者说是java虚拟机栈中的局部变量表部分。

在java虚拟机规范中，对这个区域规定类两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展，扩展时无法申请到足够的内存，将会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行java方法(字节码)服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。

Java堆

Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称为GC堆。

根据java虚拟机规范的规定，java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展也实现的（通过-Xmx和Xms控制）。如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

方法区域java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储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数据。俗称为“永久代”存储区。

运行时常量池 运行时常量池是方法区的一部分。class文件中除了有泪的版本、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。

HotSpot虚拟机对象探秘

对象的创建

虚拟机遇到一条指令时，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引用，并且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，如果没有则必须先执行相应的类加载过程。

在类加载通过后，接下来虚拟机将为新生的对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定，为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从java堆中划分出来。此时涉及到两个概念：

1、指针碰撞：假设java堆中内存是绝对规整的，所有用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另外一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离。

2、空闲列表：如果java堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空闲内存相互交错，那就没有办法进行简单的指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录上那些内存块是可用的，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实例，并更新列表上的记录。

还需考虑线程安全的情况，即可能出现正在给对象A分配内存，指针还没来得及修改，对象B又同时使用类原来的指针来分配内存的情况，解决这个问题有两种方案：

1、对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。

2、把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲(TLAB),哪个线程需要分配内存，就在哪个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完并分配给新的TLAB时，才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX:+/-UseTLAB参数来设定。

对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头(header)、实例数据(Instance Data)和对齐填充(Padding)。

HotSpot虚拟机的对象头包含两部分信息，第一部分用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码(HashCode),GC分配年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等；对象头的另一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

实例数据是对象真正存储的有效信息，也是程序代码中所定义的各种类型的字段内容。

对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。

对象的访问定位

建立对象是为类使用对象，我的java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。由于reference类型在java虚拟机规范中只规定类一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过何种方式去定位，访问堆中对象的具体位置，所以对象访问方式也是取决于虚拟机实现而定的。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种：

1、使用句柄：java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，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具体地址信息。使用句柄的最大好处是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本身不需要修改。



2、直接指针：java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而reference中存储的直接就是对象的地址。使用直接指针最大的好处就是速度更快，它节省类一次指针定位的时间开销。