深入理解JVM--java内存区域分析

一.概述

java程序在java虚拟机的自动内存管理机制的帮助下，不容易出现内存泄露和内存溢出的问题，但是一旦出现内存泄露和溢出方面的问题，若是不了解虚拟机是如何使用内存的，那么排除错误将会异常困难，因此，作为java程序员，了解java虚拟机的内存管理是很有必要的。

二.jvm运行时数据区域分布

如图所示，运行期数据区域可以分为线程共享的和线程隔离的。接下来将一一介绍。



1.程序计数器
程序计数器是一块较小的内存空间，可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。每条线程都有一个独立的程序计数器，各线程之间的计数器互不影响。如果线程在执行一个java方法，则计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址，在执行native方法时，计数器的值为空。并且在java虚拟机规范中没有在此区域规定任何的outOfMemoryError异常。
2.java虚拟机栈
java虚拟机栈也是线程私有的，且生命周期和线程相同，其描述的是java方法执行的内存模型。在方法执行时，创建一个栈帧，用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息。此内存区域就是我们常说的栈内存。其中，局部变量表存放了编译器可知的各种基本数据类型（boolean,byte,char,short,int,float,long,double）和对象引用（reference类型），其中long和double占用两个局部变量空间，其他的占用一个。在进入方法时，此局部变量空间就被唯一确定。
java虚拟机规范规定了两种异常状况：线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度时，抛出StackOverflowError异常。
如果扩展时，无法申请到足够的内存，抛出OutOfMemoryError异常。
3.本地方法栈
本地方法栈与java虚拟机栈类似，不过java虚拟机栈为虚拟机栈执行java方法服务，而本地方法栈则为虚拟机执行Native方法服务。
Sun HotSpot虚拟机把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。
4.java堆
java堆是java虚拟机管理的内存在中最大的一块。是线程共享的。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例。所有的对象实例和数组都在堆上分配。java堆还是垃圾收集器管理 的主要区域，在采用分代收集算法的收集器中，java堆还可以分为新生代和老年代。java对在分配实例时，会划分出多个线程私有的分配缓冲器。java堆可以处于物理上不连续的内存空间上。通过-Xmx和-Xms扩展java堆。堆无法扩展时，抛出OutOfMemoryError异常。
5.方法区
线程共享的区域，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。这个区域的回收主要针对常量池的回收和对类型的卸载。当方法区无法满足内存分配需求时，会抛出OutOfMemoryError异常。

三.对象的创建过程详解

对象在创建过程大致经过一下几步：类加载检查-->分配内存-->初始化内存空间为零值-->设置对象头-->按照程序员意愿初始化
1.类加载检查：当虚拟机遇到new指令时，会检查指令的参数是否能在常量池中定位类符号的引用，并检查此符号引用所代表的类是否已被加载，解析，初始化，若没有，执行类加载过程。
2.分配内存：内存规整时，使用指针碰撞的方式进行内存分配。若不是，则采用空闲列表的方式进行分配。这两种方式取决于java堆所采用的垃圾回收器是否带有压缩整理功能。在多线程的情况下，要按照线程划分在不同的空间中进行，线程会在java堆中预先分配一小块本地线程分配缓冲（TLAB）,是否使用TBAB可以通过-XX:+/-UseTLAB来设定。
3.初始化内存空间：在内存分配完成后，需要把分配到的内存空间都初始化为零值，如果使用了TLAB，这一工作可以提前到TLAB分配时进行。这一操作保证了对象的实例字段在java代码中可以不赋初始值就可以使用。
4.对象头的设置：设置对象的具体信息，比如对象是哪个类的实例，对象的哈希码，对象的GC分代年龄等，这些信息保存在对象的对象头中。
5.执行<init>方法，使得对象按照程序员的意愿进行初始化，到此为止，一个真正可用的对象才算完全产生。

四.对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中，对象在内存的存储布局分为三个区域：对象头，实例数据，对齐填充。
1.对象头：在对象创建过程中即被初始化好，包含两部分信息，一是存储对象自身的运行时数据，如哈希码，GC分代年龄，线程的持有锁。另一部分为类型指针，即对象指向类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。特别的，若对象是一个数组，那么在对象头还有一块用于记录数组长度的数据。
2.实例数据：保存自身定义的和从父类继承而来的字段内容。HotSpot默认的存储顺序为：longs/doubles,ints,shorts/chars,bytes/booleans,oop。但是父类定义的变量会出现在子类之前。
3.对齐填充:非必须的部分，仅仅起着占位符的作用。

五.对象的访问定位

我们通过在栈中的reference数据来操作堆上的具体对象，现在主流的访问方式有两种：使用句柄和直接指针。
1.句柄方式访问：java堆中会划分出一块内存作为句柄池，reference中存储就是对象的句柄地址，而句柄包含了对象实例数据与类型数据各自的地址信息，具体如图。



2.直接指针访问：reference直接存储的就是对象的地址，在java堆中保存对象类型数据。如图。



3.两种方式比较：使用句柄的优势在于reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象经常发生）时只会改变句柄中的实例数据指针，reference本身不需要修改。
使用直接指针方式优势在于速度更快，节省了一次指针定位的时间，HotSpot是使用直接指针方式进行对象访问的。