深入理解Java虚拟机（1）

    对于Java程序员，在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，不需要再为每一个操作写配对的释放资源操作，不容易出现内存泄露和内存溢出问题。加深对Java虚拟机的理解，有助于在发现问题时精准定位问题，排查错误因素，写出更健壮的代码。

 

 

一、虚拟机内存

 

Java虚拟机在执行Java程序时，会把它所管理的内存划分成若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间。从粗略的角度来说，可以分为堆和栈。堆为线程公有，栈为线程私有。

 

1.1 程序计数器

 

程序计数器是一块较小的内存空间，它可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。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。

为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每个线程都需要有一个独立的程序计数器。各条线程之间的计数器互不影响、独立存储，称这类内存区域为“线程私有”的内存。

 

1.2 Java虚拟机栈、本地方法栈

 

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）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会创建一个栈帧（Stack Frame），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。

 

1.3 堆、方法区

对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。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：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配。

方法区（别名非堆：Non-Heap）是各个线程共享的内存区域，它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数据。

 

1.4 运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。——用于存放类加载后的编译信息

 

1.5 直接内存

 

 

2、对象

2.1 对象的创建

 

①运行时常量池-检查类是否已被加载

 

②为新生对象分配内存

 

指针碰撞 Bump the Pointer ：假设Java堆中的内存是绝对规整的，内存区分为可用和已用两部分，中间用指针分隔，作为分界点的指示器。分配内存就是将指针向空闲区域移动与对象大小相等的距离。

空闲列表 Free List：Java堆中的内存并不规整，虚拟机维护一个列表，记录哪些内存块是可用的，在分配的时候从列表上找到一个足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录。

CAS/失败重试 Compare And Swap：保证分配内存的并发安全

TLAB：本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer）：每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，哪个线程要分配内存，就先在TLAB上分配，只有当TLAB用完并分配新的TLAB时，才需要同步锁定

 

③对对象进行必要的设置

将对象信息存储在对象的对象头（Object Head）之中。

 

2.2 对象的内存布局

 

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）、对齐填充（Padding）

 

①对象头：

 

Mark Word：存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等。

类型指针：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，若对象为一个Java数组，则对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据。

 

②实例数据

③补齐 

虚拟机大小必须是8字节的整数倍，不规整的

 

3、运行测试

 

 

1、使用IDEA，设置虚拟机参数： -Xss参数，减小栈内存容量。

 

 

测试程序：

 

 

public class JavaVMStackSOF {

 

    private int stackLength = 1;

 

    private void stackLeak(){

        stackLength ++;

        stackLeak();

    }

    public static void main(String[] args) {

 

        JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();

        try{

            oom.stackLeak();

        }catch (Throwable e){

            System.out.println("stack length:" + oom.stackLength);

            throw e;

        }

 

    }

}

 

 

输出结果：

 

抛出StackOverflowError异常，异常时输出的堆栈深度相应缩小。

 

 

 

二、垃圾回收策略

 

1、引用

 

判断引用是否存在，用于判断对象是否存活。

 

在JDK1.2之后，Java对对象的引用概念进行扩充， 将引用分为强引用（Strong Reference）、软引用（Soft Reference）、弱引用（Weak Reference）、虚引用（Phantom

 Reference）

 

强引用就是指在程序代码之中普遍存在的、类似于“Object obj = new Object（）”这类的引用。只要强引用还存在，垃圾回收器就永远不会回收被引用的对象。

 

2、垃圾回收算法

 

①标记-清除算法

最基础的收集算法是“标记-清除”算法：分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有被标记的对象。

主要不足：一是效率问题，标记和清除两个过程的效率都不高，二是空间问题，标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致在程序运行过程中，需要分配较大对象时，无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾回收动作。

 

②复制算法

 

将可用内存划分为两部分，当一部分用完时，将这部分中所有还存活的对象复制到另一部分中，再将已使用过的内存空间一次清理掉。

 

③标记-整理算法

 

与标记-清除算法类似，但标记后的后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动。

 

④分代收集算法

 

当前商业虚拟机的垃圾回收都采用“分代收集”算法。这种算法并没有什么新的思想，只是根据对象存活周期的不同，将内存划分为新生代、老年代。根据不同年代的特点，采用不同的回收算法。

 

 

 

3、垃圾回收器

 

①Serial收集器：

 

②G1收集器 

 

对象优先在Eden分配：

大多数情况下，对象在新生代Eden区中分配，当Eden区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次Minor GC。

大对象直接进入老年代：所谓大对象是指需要大量连续内存空间的Java对象，最典型的的大对象就是很长的字符串以及数组。