深入理解虛擬機之Java內(nèi)存區(qū)域

dance 發(fā)布于2019-08-15 15:45 / 3468人閱讀

摘要：運行時數(shù)據(jù)區(qū)域虛擬機在執(zhí)行程序的過程中會把它管理的內(nèi)存劃分成若干個不同的數(shù)據(jù)區(qū)域。堆虛擬機所管理的內(nèi)存中最大的一塊，堆是所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機啟動時創(chuàng)建。

《深入理解Java虛擬機：JVM高級特性與最佳實踐（第二版》讀書筆記

1 概述

對于Java程序員來說，在虛擬機自動內(nèi)存管理機制下，不再需要像C/C++程序開發(fā)程序員這樣為內(nèi)一個new 操作去寫對應(yīng)的delete/free操作，不容易出現(xiàn)內(nèi)存泄漏和內(nèi)存溢出問題。正是因為Java程序員把內(nèi)存控制權(quán)利交給Java虛擬機，一旦出現(xiàn)內(nèi)存泄漏和溢出方面的問題，如果不了解虛擬機是怎樣使用內(nèi)存的，那么排查錯誤將會是一個非常艱巨的任務(wù)。

2 運行時數(shù)據(jù)區(qū)域

Java虛擬機在執(zhí)行Java程序的過程中會把它管理的內(nèi)存劃分成若干個不同的數(shù)據(jù)區(qū)域。

2.1 程序計數(shù)器

程序計數(shù)器是一塊較小的內(nèi)存空間，可以看作是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。字節(jié)碼解釋器工作時通過改變這個計數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等功能都需要依賴這個計數(shù)器來完。

另外，為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要有一個獨立的程序計數(shù)器，各線程之間計數(shù)器互不影響，獨立存儲，我們稱這類內(nèi)存區(qū)域為“線程私有”的內(nèi)存。

2.2 Java虛擬機棧

與程序計數(shù)器一樣，Java虛擬機棧也是線程私有的，它的生命周期和線程相同，描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型。

Java內(nèi)存可以粗糙的區(qū)分為堆內(nèi)存（Heap）和棧內(nèi)存(Stack),其中棧就是現(xiàn)在說的虛擬機棧，或者說是虛擬機棧中局部變量表部分。

局部變量表主要存放了編譯器可知的各種數(shù)據(jù)類型、對象引用。

2.3本地方法棧

和虛擬機棧所發(fā)揮的作用非常相似，區(qū)別是： 虛擬機棧為虛擬機執(zhí)行Java方法（也就是字節(jié)碼）服務(wù)，而本地方法棧則為虛擬機使用到的Native方法服務(wù)。

2.4 堆

Java虛擬機所管理的內(nèi)存中最大的一塊，Java堆是所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機啟動時創(chuàng)建。此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對象實例，幾乎所有的對象實例以及數(shù)組都在這里分配內(nèi)存。
Java堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此也被稱作GC堆（Garbage Collected Heap）.從垃圾回收的角度，由于現(xiàn)在收集器基本都采用分代垃圾收集算法，所以Java堆還可以細(xì)分為：新生代和老年代：在細(xì)致一點有：Eden空間、From Survivor、To Survivor空間等。進一步劃分的目的是更好地回收內(nèi)存，或者更快地分配內(nèi)存。

2.5 方法區(qū)

方法區(qū)與Java堆一樣，是各個線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即使編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。

HotSpot虛擬機中方法區(qū)也常被稱為 “永久代”，本質(zhì)上兩者并不等價。僅僅是因為HotSpot虛擬機設(shè)計團隊用永久代來實現(xiàn)方法區(qū)而已，這樣HotSpot虛擬機的垃圾收集器就可以像管理Java堆一樣管理這部分內(nèi)存了。但是這并不是一個好主意，因為這樣更容易遇到內(nèi)存溢出問題。
相對而言，垃圾收集行為在這個區(qū)域是比較出現(xiàn)的，但并非數(shù)據(jù)進入方法區(qū)后就“永久存在”了。

2.6 運行時常量池

運行時常量池是方法區(qū)的一部分。Class文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有常量池信息（用于存放編譯期生成的各種字面量和符號引用）

2.7直接內(nèi)存

直接內(nèi)存并不是虛擬機運行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，也不是虛擬機規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域，但是這部分內(nèi)存也被頻繁地使用。而且也可能導(dǎo)致OutOfMemoryError異常出現(xiàn)。

JDK1.4中新加入的NIO(New Input/Output)類，引入了一種基于通道（Channel） 與緩存區(qū)（Buffer） 的I/O方式，它可以直接使用Native函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存，然后通過一個存儲在java堆中的DirectByteBuffer對象作為這塊內(nèi)存的引用進行操作。這樣就能在一些場景中顯著提高性能，因為避免了在Java堆和Native堆之間來回復(fù)制數(shù)據(jù)。

本機直接內(nèi)存的分配不會收到Java堆的限制，但是，既然是內(nèi)存就會受到本機總內(nèi)存大小以及處理器尋址空間的限制。

3 HotSpot虛擬機對象探秘

通過上面的介紹我們大概知道了虛擬機的內(nèi)存情況，下面我們來詳細(xì)的了解一下HotSpot虛擬機在Java堆中對象分配、布局和訪問的全過程。

3.1 對象的創(chuàng)建

虛擬機遇到一條new指令時，首先將去檢查這個指令的參數(shù)是否能在常量池中定位到這個類的符號引用，并且檢查這個符號引用代表的類是否已被加載過、解析和初始化過。如果沒有，那必須先執(zhí)行相應(yīng)的類加載過程。

在類加載檢查通過后，接下來虛擬機將為新生對象分配內(nèi)存。對象所需的內(nèi)存大小在類加載完成后便可確定，為對象分配空間的任務(wù)等同于把一塊確定大小的內(nèi)存從Java堆中劃分出來。分配方式有 “指針碰撞” 和 “空閑列表” 兩種，選擇那種分配方式由Java堆是否規(guī)整決定，而Java堆是否規(guī)整又由所采用的垃圾收集器是否帶有壓縮整理功能決定。

虛擬機采用CAS配上失敗重試的方式保證更新操作的原子性。

接下來，虛擬機要對對象進行必要的設(shè)置，例如這個對象是那個類的實例、如何才能找到類的元數(shù)據(jù)信息、對象的哈希嗎、對象的GC分代年齡等信息。這些信息存放在對象頭中，根據(jù)虛擬機當(dāng)前運行狀態(tài)的不同，如是否啟用偏向鎖等，對象頭會與不同的設(shè)置方式。
new指令執(zhí)行完后，再按照程序員的意愿執(zhí)行init方法后一個真正可用的對象才誕生。

3.2 對象的內(nèi)存布局

在Hotspot虛擬機中，對象在內(nèi)存中的布局可以分為3快區(qū)域：對象頭、實例數(shù)據(jù)和對齊填充。

Hotspot虛擬機的對象頭包括兩部分信息，第一部分用于存儲對象自身的自身運行時數(shù)據(jù)（哈希嗎、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志等等），另一部分是類型指針，即對象指向它的類元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機通過這個指針來確定這個對象是那個類的實例。

實例數(shù)據(jù)部分是對象真正存儲的有效信息，也是在程序中所定義的各種類型的字段內(nèi)容。

對齊填充部分不是必然存在的，也沒有什么特別的含義，僅僅起占位作用。 因為Hotspot虛擬機的自動內(nèi)存管理系統(tǒng)要求對象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，換句話說就是對象的大小必須是8字節(jié)的整數(shù)倍。而對象頭部分正好是8字節(jié)的倍數(shù)（1倍或2倍），因此，當(dāng)對象實例數(shù)據(jù)部分沒有對齊時，就需要通過對齊填充來補全。

3.3對象的訪問定位

建立對象就是為了使用對象，我們的Java程序通過棧上的reference數(shù)據(jù)來操作堆上的具體對象。對象的訪問方式有虛擬機實現(xiàn)而定，目前主流的訪問方式有①使用句柄和②直接指針兩種：

如果使用句柄的話，那么Java堆中將會劃分出一塊內(nèi)存來作為句柄池，reference中存儲的就是對象的句柄地址，而句柄中包含了對象實例數(shù)據(jù)與類型數(shù)據(jù)各自的具體地址信息；

如果使用直接指針訪問，那么Java堆對像的布局中就必須考慮如何防止訪問類型數(shù)據(jù)的相關(guān)信息，reference中存儲的直接就是對象的地址。

這兩種對象訪問方式各有優(yōu)勢。使用句柄來訪問的最大好處是reference中存儲的是穩(wěn)定的句柄地址，在對象被移動時只會改變句柄中的實例數(shù)據(jù)指針，而reference本身不需要修改。使用直接指針訪問方式最大的好處就是速度快，它節(jié)省了一次指針定位的時間開銷。

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