Java虚拟机学习笔记（一）：内存区域与HotSpot虚拟机对象探秘

运行时数据区域

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为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，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规范（Java SE 7版）》的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域：

程序计数器（线程私有）

程序计数器是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机概念模型中，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（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。

栈帧是方法运行时的基础数据结构

经常有人把Java内存区分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），Java内存区域实际上比这复杂的多，这种划分方式的流行只能说明大多数程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块。其中 “栈”就是现在讲的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分 。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，他不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的应用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

需要注意的是局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，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，在方法运行期间不会改变。

其中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），其余的数据类型只占用1个。

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常情况：
（1）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
（2）如果虚拟机栈可以动态扩展，在扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常

本地方法栈

本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务，也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆（GC堆）

Java堆是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。

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”。从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。从内存分配的角度来看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区。

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。当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区（别名Non-Heap）

方法区和Java堆一样，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。

根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError。

运行时常量池

和Class文件中的常量池是不同概念

运行时常量池是方法区的一部分。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。

Java虚拟机对Class文件每一部分（包括常量池）的格式都有严格规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、装载和执行，但对于运行时常量池，Java虚拟机规范没有做任何细节的要求，不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需求来实现这个内存区域。不过，一般来说，除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

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生成，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，运行期间也可能将新的常量放入池中。

当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

直接内存

在JDK 1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）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。本机直接内存的分配不受Java堆大小的限制，但是，既然是内存，肯定还是会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。

HotSpot虚拟机对象探秘

对象的创建通常仅仅是一个new关键字而已，而在虚拟机中，对象（限于普通Java对象，不包括数组和Class对象等）的创建一般包含5个步骤：
（1）检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，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，那必须先执行相应的类加载过程。
（2）在类加载检查通过后，虚拟机将为新生对象分配内存。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。

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，那所分配内存就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。
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的内存相互交错，虚拟机必须维护一个列表，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。

选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。因此，Serial、ParNew等带Compact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算法的收集器通常采用空闲列表。

除了空间的划分，我们还需要处理一下并发情况。解决方案有两种：

• 一种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配上失败重试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（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。只有TLAB用完并分配新的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。

（3）将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），如果使用TLAB，这一工作过程也可以提前至TLAB分配时进行。这一步操作保证了对象实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用。
（4）对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希吗、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。
（5）执行new指令之后会接着执行< init>方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。即所有字段先全部初始化为对应零值，再通过init初始化为所设置的对应值。

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）；

对象头

对象头包括两部分信息：

• 用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码、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。
• （非必须）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。如果对象是Java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，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却无法确定数组的大小。

实例数据

实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的，都需要记录起来。这部分的存储顺序会收到虚拟机分配策略参数和字段在Java源码中定义顺序的影响。HotSpot虚拟机默认的分配策略为longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops(Ordinary Object Pointers)，从分配策略中可以看出，相同宽度的字段总是被分配到一起。在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之前。如果CompactFields参数值为true（默认为true），那么子类之中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中。

对齐填充

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。HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，即对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数，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不全。

对象的访问定位

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了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、访问堆中的对象的具体位置，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。

使用句柄

如果使用句柄访问的话，那么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。

直接指针

使用直接指针访问，那么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地址。

• 使用句柄来访问的最大好处： 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是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。
• 使用直接指针访问方式的最大好处： 速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。Sun HotSpot是使用的直接指针的方式进行对象的访问。