深入理解JVM虚拟机-2自动内存管理机制

java虚拟机所管理的内存将会包括一下几个运行时数据区域。

程序计数器：

程序计数器是一块较小的内存空间。字节码解析式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。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，在任何一个时刻，一个处理器都会执行一条线程中的指令。为了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，线程私有。如果线程执行的是一个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地址；如果是Native方法，计数器值为空(Undefined)。此块内存区域是唯一一个Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

Java虚拟机栈

线程私有。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。没个方法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。有人把java内存分为堆、栈，java内存区域的划分远比这复杂。这种划分只能说明程序员最关注的与对象内存分配关系最紧密的内存区域是这两块。但是其中所指的栈就是这个区域，或者说是虚拟机栈中局部变量表的部分。局部变量表存放了编译期可知的各种基本类型：boolean、byte、char、short、int、float、long、double、对象引用(reference类型，可能指向对象起始地址的引用指针，也可能指向一个代表对象的一个句柄或其他与对象相关的位置)和returnAddress类型(指向一条字节码指令的地址)。64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（slot），其余占一个。当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的。这个区域规定两种异常：如果栈深度大于虚拟机所允许的深度，跑出StackOverflowError异常；如果虚拟机可以动态扩展，如果扩展时无法申请到足够的内存，抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈(Native Method Stack)

与虚拟栈的作用非常类似。虚拟机栈是为Java方法(也就是字节码)服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。也抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆

java堆是对所有线程共享的一块内存区域，虚拟机创启动时创建。唯一目的就是存放对象的创建实例。java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也乘坐“GC堆”。由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以java堆还可以细分为：新生代和老年代。；在细致分为Eden区，From Survivor区，To Survivor区等。根据Java虚拟机规范的规定，java堆可以处于屋里上不连续的内存空间中。在实现时既可以是固定大小也可以是可扩展的，不过当前主流虚拟机都是可扩展的(-Xmx和Xms控制)。如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法在扩展时，跑出OutOfMemoryError异常。

方法区(Method Area)

与java堆一样，是各个线程共享的内存区域，用于储存已经被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、及时编译器编译后的代码等数据。还有一个别名叫Non-Heap(非堆)。对于习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序的开发者来说，更愿意把它成为“永久代”（Permanent Generation）。本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot设计团队把GC分代手机扩展至方法区，或者说用年久代来实现方法区而已，这样Hotspot的垃圾收集器可以向管理java一样管理这部分内存，省去为方法区编写内存管理代码的工作。但是这样容易遇到内存溢出问题。因此，对于Hotspot虚拟机，根据官方发布的路线图信息，也有放弃永久代并逐步改为采用Native Memory来实现方法区的规划了。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）

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，还有一向信息是常量池，用于存放编译器生成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。运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期也可能将新的常量放入池内，这种特性被开发人员利用的比较多的是String类的intern()方法。受到方法区内存的限制，当常量池无法在申请到内存时跑出OutOfMemoryError异常。

直接内存（Direct Memory）

并不是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。但是这部分内存也被频繁使用，可能抛出OutOfMemoryError异常。NIO类引入了一种基于通道与缓冲区(Buffer)的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因此避免了在java堆和Native堆中来回复制数据。服务器管理员容易忽略直接内存，使得内存区域总和大于物理内存限制，从而导致动态抛出OutOfMemoryError异常。

创建对象时，虚拟机遇到一条new指令时，首先将去检查这个指令的参数能否在常量池中定位道义各类的符号引用，并且检查这个符号引用代码的类是否已经被加载，解析和初始化过，如果没有，那么必须先执行相应的加载过程。

在类加载检查完成后，接下来心悸将为新生对象分配内存。对象所需内存大小在类加载完便可以确定。假设java堆中国内存是绝对规整的，所用用过的内存都放在一边，空闲的放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，这种分配方法叫”指针碰撞“。如果java堆中的内存并不是规整的，已使用过的和没使用的交错，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，这种分配方式叫“空闲列表”。选择那种分配方式是由java堆是否完成决定，java堆是否完整由采用的垃圾回收机制是否代理压缩整理决定。因此，Serial，ParNew等带有Compace过程的收集器采用的分配算法是指针碰撞，而CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器采用空闲列表。

除划分可用空间外，还有另外一个要考虑的问题是对象创建在虚拟机中国中是否频繁，即使是仅仅修改一个指针的位置，在并发的情况也是线程不安全的。可能改A分配时，指针还没来得及修改对象B又使用了原来的指针。解决这个问题有两种方案，一是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配上失败充实的方式保证更新操作的原子性；另一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间中进行，即每个线程都在java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲(Thread Local Allocation Buffer, TLAB)。那个线程要分配内存在TLAB上分配，只有在TLAB用完并分配新的TLAB时，才需要同步锁定。是否使用使用TLAB可以通过 -XX:+/-UseTLAB参数来决定。

对象在分配到的内存都初始化为零值（不包括对象头）（如果是TLAB，可以提前至TLAB分配时进行）这一步保证对象的实例字段在java代码中可以不赋值就可直接使用。

接下来，虚拟机要对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪个类、如何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之中。根据虚拟机当前的运行状态的不同，如是否启用偏向锁，对象头信息会有不同的设置方式。

上面工作都完成后，从虚拟机角度看已经完成了，一个对象已经产生了，但从java程序角度看，创建兑现才刚开始——<init>方法还有执行，执行new命令后会接着执行<init>方法，这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

对象的内存分布

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中国年储存的布局可以分为3快区域：对象头(Header)、实例数据(Instance Data)和对其填充(Padding)。

HotSpot虚拟机的推向头包含两部分信息，第一部分用于储存对象自身运行时数据，如哈希码，GC分代年龄，所锁状态标志，线程持有的锁，偏向线程，偏向时间戳等。这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别对应32bit和64bit，官方称它为“Mark Word”。对象需要储存的运行时数据很多，其实已经超出了32位，64位Bitmap结构所能记录的限度，但是对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外储存成本，考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word被设计成一个非固定的数据结构一边在极小的空间内储存尽量多的信息，它会根据对象的状态复用自己的储存空间。

对象头的另外一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，换句话说，查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身，另外，如果对象是数组，那在对象头中还必须有一块用来记录数据长度的数据，因为虚拟机可以通过普通java对象的元数据信息确定java对象的大小，但是从数组的元数据中无法确定数据的大小。

接下来的实例数据部分是对象真正储存的有效信息，也是代码中所定义的各种类型的字段内容。无论是从父类集成下来的还是在子类中定义的，都需要记录起来。这部分的的储存书序会受到虚拟机分配策略的参数和字段在java源码中定义顺序的影响，HotSpot分配策略是相同宽度的字段总是被分配到一起，满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的比昂两处现在子类之前。如果CompactFields参数值为true(默认为true)，那么子类中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中。

第三部分的填充是不必然的也没有特别的含义，仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址是8字节的整数倍，换句话说，就是对象的大小必须是8的整数倍。对象头恰好是8字节的倍数（1倍或2倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

对象的访问通常有句柄和指针两种访问方式