深入理解Java虚拟机（1）——内存区域

目录

前言

一、运行时数据区域

1.程序计数器（Program Counter Register）

2.虚拟机栈（VM Stack）

3.本地方法栈（Native Method Stack）

4.Java堆（Heap）

5.方法区（Method Area）

二、直接内存

1.DirectByteBuffer

2.操作

3.异常

三、对象

1.创建对象

2.内存布局

3.访问定位

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前言

参考周志明的《深入理解Java虚拟机》，进行简单的总结记录。本小结总结了《深入理解Java虚拟机》第二章内存区域。

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一、运行时数据区域

1.程序计数器（Program Counter Register）

• 线程私有。
• 针对方法内部：字节码调用。
• 可以看作是当前线程执行的字节码的行号指示器。控制着程序运行的顺序、分支、循环、跳转等等。
• 执行Java方法：记录的是字节码指令的地址。
• 执行Native方法：记录的是空（undefined）。
• 内存中唯一没有OOM的区域。

2.虚拟机栈（VM Stack）

• 线程私有。
• 描述的是Java方法执行时线程的内存模型，直观上看就是debug调试的堆栈信息。
• 一个方法从调用到被执行完毕，就是对应一个栈帧从入栈到出栈的过程。
• 栈帧保存了局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
• 异常：线程请求栈的深度超过虚拟机允许深度，发生StackOverFlowError；虚拟机栈动态扩展时无法申请到内存，发生OutOfMemoryError。

3.本地方法栈（Native Method Stack）

• 与虚拟机栈类似，只不过是为Native方法服务。

4.Java堆（Heap）

• 线程共享
• 虚拟机中很大的一块内存，保存对象的实例。
• 垃圾回收的主要区域。
• 异常：堆内无法实例分配，且堆无法扩展，发生OOM。

5.方法区（Method Area）

• 线程共享
• 堆的一个逻辑部分，别名：Non-Heap
• 存储内容：虚拟机加载的类、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码。
• HotSpot虚拟机对方法区的实现叫做永久代，jdk1.8中，移到了元空间（MetaSpace）。
• 方法区内还有一块内存叫做运行时常量池，存储已被加载的class文件中的常量池表（Constant Pool Table）。当常量池无法申请到内存时，发生OOM。

二、直接内存

1.DirectByteBuffer

• 占用堆外内存，是Native直接调用的机器内存。JVM会在DirectBuffer上直接使用本地IO操作（Native I/O Operations）。
• 好处：避免额外的数据复制，提高IO效率。减低GC的工作量。
• 场景：需要容量较大且长期使用的缓存。需要测试确定是否能获得性能提升。
• MappedByteBuffer：继承DirectByteBuffer，可以将文件内容映射到内存。

2.操作

• 通过存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。
• DirectBuffer一般在FullGC时被回收。

3.异常

• 不受参数-Xmx参数控制，设置大小：-XX:MaxDirectMemory=512M
• 受物理内存、SWAP分页限制。
• 如果堆内存Xmx满了，物理内存和分页也用完了，则无法继续申请直接内存（OOM）。

三、对象

1.创建对象

• 内存划分：指针碰撞和空闲列表。
  • 指针碰撞：内存规整，只需要移动指针来分配空间。
  • 空闲列表：内存不规整，虚拟机需要维护哪些空间是空闲的，找到足够的空间分配。
• 如何选择：取决于Java堆是否规整，Java堆是否规整又取决于GC是否带有空间压缩整理的能力。

2.内存布局

• 对象头Header：Mark Word+Class pointer+array length
  • Mark Word：存储对象自身的运行时数据，如hashcode，gc分代年龄、锁标志等。
  • Class pointer：类型指针，指向它的类元数据，JVM通过这个指针确定对象时哪个类的实例。
  • array length：如果对象是数组，那么对象头还需要额外的空间存储数组的长度。
• 实例数据：对象真正存储的有效数据。
• 对其填充：非必须，占位功能，因为hotspot自动内存管理要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，如果不是，则用它填充。

3.访问定位

• 句柄池：Java堆中划出一块内存存储句柄池，引用存储的句柄池的地址，而句柄中存储了对象实例数据和到对象类型数据的指针。
  • 优点：稳定，当对象移动（因为gc等）时只需要修改句柄中到对象实例的指针即可。
  • 缺点：两次寻址
• 直接指针：reference中存储的就是对象的地址，此时对象中就要存储到对象类型数据的指针了。（HotSpot主要使用）
  • 优点：访问对象比较快。