初识JVM运行时数据区

2.0 JVM组成

面试题：

说一下 JVM 的主要组成部分及其作用？

JVM包含两个子系统和两个组件，两个子系统为Class loader(类装载)、Execution engine(执行引擎)；两个组件为Runtime data area(运行时数据区)、Native Interface(本地接口)。

Class loader(类装载)：根据给定的全限定名类名(如：java.lang.Object)来装载class文件到Runtime data area中的method area（即把Class文件从硬盘加载到内存中）。
Execution engine（执行引擎）：执行classes中的指令。
Native Interface(本地接口)：与native libraries交互，是其它编程语言交互的接口。
Runtime data area(运行时数据区域)：这就是我们常说的JVM的内存。

作用 ：首先通过类加载器（ClassLoader）把字节码加载到内存（运行时数据区）中，执行引擎（Execution Engine）将字节码翻译成底层系统指令，再交由 CPU 去执行，而这个过程中需要调用其他语言的本地库接口（Native Interface）来实现整个程序的功能。

2.1 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，以及创建和销毁时间。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

2.1.1 程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）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。在虚拟机的概念模型里，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。

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来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。因此，为了每个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，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

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（Undefined）。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。

2.1.2 Java虚拟机栈

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都会创建一个栈帧（Stack Frame，这是一块内存区域）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。

有人会把Java内存区分为堆内存和栈内存，但是其实不太合理。其中栈就是虚拟机栈，或者说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基本数据类型、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，可能是一个指向对象初始地址的引用指针，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）。

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表是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

在Java虚拟机规范中对这个区域规定了两种异常状况：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；如果虚拟机栈可以动态扩展，如果扩展时无法申请到足够的内存，将会抛出OutOfMemoryError异常。

2.1.3 本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用非常相似（抛出异常状况也一样），他们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务。

2.1.4 堆和方法区

在JDK1.7之前，StringTable是放在方法区中的，但是字符串的使用和弃用十分频繁，会大量占据内存空间，而方法区的回收十分困难，效率也不高，所以在JDK1.8之后就将StringTable放在了堆中，这样只要发生Minor GC，StringTable就会被回收。

2.1.4.1 堆

Java堆（Java Heap）一般是虚拟机管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程所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虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配。但是随着JIT编译期的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配，标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么绝对了。

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”（Garbage Collected Heap）。Java堆从不同角度可以进行不同划分，如新生代和老年代等，无论划分出哪些区域，存储的都依然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。

根据Java虚拟机规范，Java堆只要在逻辑上连续即可，可以处于不同的物理地址的内存空间中。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，将抛出OutOfMemoryError异常。

面试题：

说一下堆栈的区别？

物理地址

堆的物理地址分配对对象是不连续的。因此性能慢些。在GC的时候也要考虑到不连续的分配，所以有各种算法。比如，标记-消除，复制，标记-压缩，分代（即新生代使用复制算法，老年代使用标记-整理算法）

栈使用的是数据结构中的栈，先进后出的原则，物理地址分配是连续的。所以性能快

内存分别

堆分配的内存是在运行期确认的，因此大小不固定。一般堆大小远远大于栈

栈分配的内存大小要在编译期就确认，大小是固定的

存放的内容

堆存放的是对象实例和数组

栈存放：局部变量，操作数栈，动态链接、方法出口

PS:

静态变量放在方法区

静态的对象还是放在堆

线程所有

堆对于整个应用程序都是共享的

栈是线程私有，它的生命周期和线程相同

2.1.4.2 字符串常量池

Java程序中的类名、方法名之类也是需要以字符串的形式存储到字符串常量池中的。JDK1.8字符串常量池在Java堆中。

• 字符串变量拼接的原理是StringBuilder（1.8）
• 字符串常量拼接的原理是编译器优化
• 可以使用intern方法，主动将串池中还没有的字符串对象放入串池

public static void main(String[] args) {
        String s1 = "abc";//在编译期，仅仅只是符号，只有运行时执行到这条语句，s1才会变成对象
        String s2 = "abc";//JDK1.8中底层使用char[]存放字符串
        String s3 = new String("abc");
        System.out.println(s1 == s2);//==是对地址的比较
        System.out.println(s1 == s3);
    }

运行结果：

true
false

观察上面的代码，所有字符串常量和基本数据类型常量都会在类加载后（即程序运行时，而不是编译时）放在运行时常量池里面，字符串常量会先在Java堆中生成一个String对象，然后把字符串常量放进Java堆维护的StringTable（串池，这是一个HashTable类型的数据结构，字符串为key，不能重复元素），"abc"就被放进字符串常量池，所以，s1和s2引用的字符串地址都是同一个。

而使用new关键字就会直接在Java堆里生成一个对象实例，不再将字符串对象放在字符串常量池里。

public static void main(String[] args) {
	String s1 = "a";
	String s2 = "b";
	String s3 = "ab";
    //new StringBuilder().append("a").append("b").toString() toString()相当于重新创建字符串-->new String("ab")
	String s4 = s1 + s2;//这是变量拼接，运行时可能会变，所以用StringBuilder去做拼接动作
	String s5 = "a" + "b";//编译器优化，这是两个常量拼接，在编译期已经确定不会变了，会直接去找"ab"，不需要做拼接的动作
    s3==s5;//true
}

ldc #2 会把a符号变为"a"字符串对象
ldc #3 会把b符号变为"b"字符串对象
ldc #4 会把ab符号变为"ab"字符串对象

• 当执行String s4 = s1 + s2;时，相当于执行new String("ab")
• 当在执行String s5 = "a" + "b";时，编译器会自动优化，同String s3 = "ab";

//在堆中创建一个string对象
//同样是用StringBuilder来拼接后toString，注意"a"和"b"被放入到串池，new String("ab")在堆中
String s = new String("a") + new String("b");//StringTable["a","b"]
//将此s中的值尝试放入StringTable，并将串池中的对象返回
//如果串池中没有这个字符串，就会把堆中的s放到串池中
String s1 = s.intern();//StringTable["a","b","ab"]
System.out.println(s1 == "ab"); // true
System.out.println(s == "ab"); // true

注意：当串池中没有intern尝试放入的字符串时，会将字符串放入串池，此时s也变为了串池中的对象

//在串池中添加"ab"
String x = "ab";
//在堆中创建一个string对象
String s = new String("a") + new String("b");
//将此s的值尝试放入StringTable，并将串池中的对象返回（并没有成功放入）
//这时候s依旧在堆中，没有被放进串池
String s1 = s.intern();
System.out.println(s1 == x); // true
System.out.println(s == x); // false

注意：当串池中已经存在intern尝试放入的字符串时，则不会将字符串放入串池，此时s还是堆中的对象，而x是串池中的对象，所以s不等于x。

2.1.4.3 方法区

方法区（Method Area）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（类的版本，字段，方法、接口，字节码中记录这些信息的地址，方法区中储存这些信息数据）、常量、静态变量（地址存放在Class文件的常量池中，而不是运行时常量池）、即时编译器编译后的代码（字节码）等数据。在Java虚拟机规范中将方法区描述为Java堆的逻辑部分，但是也有区分。JDK1.8后，方法区位于元空间，元空间仍然与堆不相连，但与堆共享物理内存，逻辑上可认为在堆中。

虚拟机将类的.class文件加载到内存把它放到方法区内，然后在堆区创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据，然后在方法区中创建引用指向这个Class类的实例。

该区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说，这个区域较难回收，特别是类型的卸载，条件相当苛刻，但是若对此区域未完全回收会导致内存泄漏。

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异常。

2.1.6 运行时常量池

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，还有一项信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内存将在类加载后通过类加载器读入方法区的运行时常量池中存放（short大小以内的数字是跟字节码指令存在一起，超过short的数才放在运行时常量池），其中的符号地址变成真实地址。

运行时常量池相对于Class文件常量池的一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定要在编译期才能产生，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，运行期间也可能将新的常量放入池中，利用得比较多的是String类的intern()方法。

与方法区异常相同。

2.1.7 直接内存（操作系统的内存）

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区域。但是这部分内存也在被频繁使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。

在JDK1.4中新加入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。这样才能在一些场景中显著提高性能，因此避免了在Java堆中和Native堆中来回复制数据。

直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是依然会受到本机总内存的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常忽略直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制，从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

2.2 虚拟机对象探究

2.2.1 对象的创建

说到对象的创建，首先让我们看看 Java 中提供的几种对象创建方式：

Header	解释
使用new关键字	调用了构造函数
使用Class的newInstance方法	调用了构造函数
使用Constructor类的newInstance方法	调用了构造函数
使用clone方法	没有调用构造函数
使用反序列化	没有调用构造函数

虚拟机遇到一条new指令时，首先将去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经被加载、解析和初始化过。如果没有，必须先执行相应的类加载过程，此处暂不讨论。

在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需的内存大小在类加载完成后即可完全确定，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。假设Java堆中内存绝对规整，所有用过的内存放在一边，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，那么分配内存就仅仅是把这个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离，这种方法称为“指针碰撞”（Bump the Pointer）。如果堆的内存不规整，那么就必须维护一个列表，记录哪些内存块是可用的，在分配时找到一块足够大的内存给对象实例，并更新表上的记录，这种方式被称为“空闲列表”（Free List）。堆是否规整由所采用的垃圾采集器是否带有压缩整理功能决定的。

除了如何划分可用空间外，还有另一个要考虑的问题是对象的创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使是仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也不是线程安全的。解决这个问题有两种方案，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配上失败重试的方法保证分配操作的原子性；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）。哪个线程要分配内存，就在哪个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB时，才需要同步锁定。通过-XX:+/-UserTLAB参数来设定虚拟机是否使用TLAB。

内存分配完毕后，虚拟机需要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，这一工作过程也要在TLAB上进行。这一步确保对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

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的实例、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（Object Header）之中。

在上面的工作都完成后，从虚拟机的角度看，一个新的对象已经产生了，但是从Java程序的角度看，对象的创建才刚刚开始——方法还没有执行，所有字段都还是零。一般来说，执行new指令之后会接着执行方法，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。

2.2.2 对象的内存布局

对象在内存中存储的布局可以分为三个区域：对象头、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

对象头包括两部分信息，第一部分用于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，官方称为“Mark Word”。

对象头的另一部分是类型指针，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，如果对象是一个数组，那么对象头中还必须有一块用于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组的大小。

实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是程序代码中所定义的各种类型的字段内容。无论从父类集成下来的，还是在子类中定义的，都需要记录起来。

对齐填充并不是必然存在的，也没有特殊含义，仅仅起到占位符的作用。

2.2.3 对象的访问定位

建立对象是为了使用对象，我们的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，但是没有定义这个引用如何去定位、访问堆中的对象的具体位置，所以对象的访问方式取决于虚拟机如何去实现。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。

如果使用句柄访问，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，如下图所示。

如果使用直接指针访问，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的地址，如下图所示。

这两种对象访问方式各有优势，使用句柄来访问的最大好处就是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。

使用只直接指针访问的最大好处就是速度更快，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。

2.3 实战：OutOfMemoryError异常（未完成）

在Java虚拟机规范的描述中，除了程序计数器，其他内存几个运行时区域都有发生OutOfMemoryError（简称OOM）异常的可能，本节通过代码来验证异常发生的场景。

本节目的：第一，通过代码验证Java虚拟机规范中描述的各个运行时区域存储的内容；第二， 以后在工作中遇到实际的内存溢出异常时，能根据异常的信息快速判断是哪个区域的内存溢出，知道什么样的代码可能会导致这些区域内存溢出，以及出现这些异常后该如何处理。

2.3.1 Java堆溢出

Java堆用于存储对象实例，设置好JVM的最大堆内存，只要不断地创建对象，并且保证GC Roots到对象之间有可达路径来避免垃圾回收机制清除这些对象，那么在对象数量达到最大堆的容量限制后就会产生内存溢出异常。

面试题：

Java会存在内存泄漏吗？请简单描述

内存泄漏是指不再被使用的对象或者变量一直被占据在内存中。理论上来说，Java是有GC垃圾回收机制的，也就是说，不再被使用的对象，会被GC自动回收掉，自动从内存中清除。

但是，即使这样，Java也还是存在着内存泄漏的情况，java导致内存泄露的原因很明确：长生命周期的对象持有短生命周期对象的引用就很可能发生内存泄露，尽管短生命周期对象已经不再需要，但是因为长生命周期对象持有它的引用而导致不能被回收，这就是java中内存泄露的发生场景。