Java内存区域与对象探秘

前言

本文是笔者阅读《深入理解Java虚拟机》第二章的读书笔记以及一些相关知识点的总结。本文从先是简单介绍Java运行时内存区域的特点与作用，接着阐述对象在各个内存区域的存储方式与过程。

内存区域

在Java中为了方便管理将所属的内存区域分为若干个不同作用的数据区域。Java运行时数据区以是否是线程私有为条件划分，黄色区域的方法区、堆区在JVM中是线程共享的，蓝色区域的程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈是线程私有的。

1. 程序计数器
作用：记录虚拟机字节码指令地址，与字节码解释器共同作用与程序执行各类指令控制。
特点：所占空间小，线程私有，不会出现栈溢出与内存溢出情况。

2. Java虚拟机栈
作用：描述JAVA方法执行线程的内存模型：当方法执行时创建栈帧，栈帧中存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等方法中的相关信息。
特点：线程私有，当栈不可动态扩展时，栈满还继续入栈就会出现栈溢出，若栈可以动态扩展，沾满就会进行动态扩展，当无法申请到足够内存就会出现内存溢出异常。

3. 本地方法栈
作用与特点同Java虚拟机栈，不同点时本地方法栈时描述的是本地（Native）方法。

4. Java堆
作用：主要用于存放对象实例。
特点：所占空间最大，线程共享，当内存不足以完成实例分配就会出现内存溢异常。

5. 方法区
作用：用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量等数据。
特点：线程共享，无法满足新的内存分配需求时将会抛初内存溢出异常。

个人理解是当一个Java程序开始运行，首先是控制程序执行流程的指令被程序计数器加载，将主方法所在类型信息、常量、静态变量等数据加载到方法区，主方法入栈开始执行，遇到对象创建便将对象实例存入Java堆区，而对象的指针在方法区中或者虚拟机栈中，主方法执行完成，程序执行完成。

对象

对象创建过程

创建对象的方式有new、复制、反序列化等方式。当使用new方式创建一个Java对象时，首先回去检查这个new指令的参数能否在常量池中定位到一个类的符号引用，并检查这个符号引用代表类是否被加载、解析和·初始化过。若没有就需要先执行类的加载过程，在类加载检查通过后，接下来虚拟机为新对象分配内存。内存分配完成后，虚拟机必须将分配到的空间都初始化零值，再是对对象进行一些必要的设置，从虚拟机的角度来说新的对象已经产生，但是从Java角度来看，对象的创建才刚刚开始。

标识着对象创建完成的步骤是将对象实例的地址分配给引用对象，即引用对象与对象实例建立起关联。

在给对象实例分配内存通常有两种方式：

指针碰撞：内存空闲区域与非空闲区域以指针作为分界点分开，当新给对象分配内存之时，就会将指针想空闲区域移动对象大小相等距离。这种模式下需要依赖垃圾收集器的空间压缩作用，即垃圾回收后，需要将内存空间重新整理，空闲区域与非空闲区域有明确界限。

空闲列表：用列表记录哪些区域空闲，在内存分配与垃圾回收时更新列表即可，每次内存分配都会一个足够大的空间划分给对象实例。

内存布局

对象在堆内存中存储布局分为三个部分：

对象头：存储对象运行时数据与类型指针。运行时数据包括hashCode、GC分代年龄、锁状态标、线程持有的锁、偏向锁ID、偏向时间戳等信息。类型指针就是对象指向它的类型运输局指针。

实例数据：对象的各种类型字段内容，包括父类继承的与子类中定义的。

对齐填充： 没有特别意义，起占位符作用。需要这部分的原因是虚拟机的内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，当数据没有对齐就通过对齐填充补全。

访问定位

Java 中访问对象有两种方式：

• 句柄访问：在Java堆中划分一块内存作为句柄池，引用变量中存储的就是对象的句柄地址。而该句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自具体的地址信息。优势是引用变量存储稳定的句柄地址，对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而本身无需改变。

• 直接访问： 使用直接指针访问，引用变量中直接存储对象的地址。优势是访问速度更快。

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