1.运行时数据区

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（JavaSE7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，如图

Java虚拟机运行时数据区.png

• 程序计数器

  1.程序计数器是线程私有的。
  2.程序计数器（ProgramCounterRegister）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。

  3. 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。
  4. 如果线程执行的是Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指定的地址。如果正在执行的是native方法，这个计数器的值是undefined。
  5. 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

  1. Java虚拟机栈是线程私有的。

  2. 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（StackFrame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。

  3. 局部变量表

     • 存放了编译期可知的各种基本数据类型、对象引用和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空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

  4. Java虚拟机异常状况

     • 线程请求的栈深度大于虚拟机栈允许的深度会抛出StackOverflowError异常。
     • 如果虚拟机栈可以动态扩展且扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。（当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈）

• 本地方法栈（NativeMethodStack）

  1. 本地方法栈是线程私有的。
  2. 本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它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，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。
  3. SunHotSpot虚拟机直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。
  4. 本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

• Java堆

  Java堆是Java虚拟机管理内存中最大的一块，被所有线程共享。虚拟机启动时创建，目的是存放对象实例。Java堆是GC管理的主要区域。从内存回收的角度看，可以细分为新生代和老年代；或Eden、From、Survivor和ToSurvivor等。
  目前主流虚拟机都是按可扩展来实现的（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（MethodArea）

  方法区也是线程共享的内存区域，用于存储已被虚拟机加载的类信息（版本、字段、接口、方法等）、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等。

• 运行时常量池（RuntimeConstantPool）

  运行时常量池是方法区的一部分。常量池（ConstantPoolTable），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。Java虚拟机对Class文件每一部分（自然也包括常量池）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要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[1]。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，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法。既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

• 直接内存（DirectMemory）

  既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内存区域。但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。
  在JDK1.4中新加入了NIO（NewInput/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。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。显然，本机直接内存的分配不会受到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（包括RAM以及SWAP区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制。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（包括物理的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

2.HotSpot虚拟机

以常用的虚拟机HotSpot和常用的内存区域Java堆为例，深入探讨HotSpot虚拟机在Java堆中对象分配、布局和访问的全过程。

• 对象的创建

  以HotSpot虚拟机和Java堆为例。
  1.接收到new指令时，先在常量池中查找该类是否已被加载、解析和初始化。如果没有就先进行类加载。
  2.类加载后，虚拟机将为新对象分配内存。大小在类加载后可完全确定。为对象分配空间即将一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。
  3.内存分配完成后，虚拟机将分配的内存空间初始化为零值（不包括对象头）。
  4.虚拟机对对象设置对象头。（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。）
  4.调用对象的<init>方法。

1、分配内存的方式

• 指针碰撞：如果Java堆中内存是规整的，用过的内存放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放一个指针作为分界点，分配内存是将指针向空闲的一边挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为“指针碰撞”。
• 空闲列表：如果Java堆中内存不是规整的，已使用内存和空闲内存相互交错，虚拟机需要维护一个列表记录哪些内存是可用的，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，这种分配方式成为“空闲列表”。
• 选择分配方式有Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整又有所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定

2、保证分配内存时线程安全

• CAS+失败重试：对分配空间的动作做同步处理，实际是虚拟机采用CAS+失败重试的方式保证更新操作的原子性。

• 本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer,TLAB）：把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间进行，每个线程在Java堆中预分配一小块内存，成为本地线程分配缓冲（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时才同步处理。
  （虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX：+/-UseTLAB参数来设定。）

• 对象的内存布局

  在HotSpot中，对象在内存中存储的布局分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（InstanceData）和对齐填充（Padding）。

  对象头：HotSpot虚拟机的对象头包括三部分信息。

  1. MarkWord：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。这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32bit和64bit，官方称它为“MarkWord”。
  2. 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。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针。
  3. 数组长度：如果对象是一个Java数组，则需要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：实例数据部分是对象真正存储的有效信息，即程序代码中定义的各种类型的字段内容。父类和子类中定义的字段都会被记录。存储顺序会受虚拟机分配策略和字段在Java源码中的定义顺序影响。

  对齐填充：起占位符作用。

• 对象的访问定位

  Java程序通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。由于reference类型在Java虚拟机规范中规定了一个指向对象的引用，但并没有定义这个引用应该通过哪种方式访问堆中对象的具体位置，所以对象访问方式是由虚拟机决定的。
  目前主流的方式有两种：

  • 使用句柄

  使用句柄访问会在Java堆中划分一块内存作为句柄池，reference中存储的对象就是句柄地址，句柄中存储了对象实例数据与类型数据的具体地址信息。
  这种方式的好处是reference中存储的是稳定的句柄地址，当对象被移动时（垃圾回收时移动对象是较普遍的行为）只会改变句柄中的实际数据的指针，reference本身不需要改变。

  
  句柄方式.png

  • 直接指针

  使用直接指针访问，Java堆对象的布局中就需要考虑如何访问类型数据的相关信息，reference中存储的就是对象地址。
  这种方式的好处是速度更快，节省了一次指针定位的时间开销。HotSpot使用的是第二种方式进行对象访问。

  
  直接指针方式.png