深入理解JAVA虚拟机（读书笔记）

前言

深入理解JAVA虚拟机读书笔记及代码记录

Chapter Two：Java内存区域与内存溢出异常

2.1 运行时数据区内存分配概述

• 程序计数器：当前线程执行字节码的行号指示器，唯一不受OutOfMemoryError影响的内存区域
• 虚拟机栈：每个方法执行时会在栈内存中创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口灯信息，其中局部变量表存储基本数据类型、对象引用和returnAddress类型，线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度则抛出StackOverFlowError
• 本地方法栈：与虚拟机栈相似，用于执行native方法，同样会抛出StackOverFlowError
• java堆：存放对象实例（在栈上分配和标量替换技术中，并不是全部对象都在堆中分配），是GC的主要管理区域，分为新生代和老生代，其中新生代包括Eden、FromSurvivor和ToSurvivor区域
• 方法区：另称为永久带（Perm Gen）用于存储加载后的类信息、常量池、静态变量和JIT编译后的代码，但永久代内存回收机制比较落后，容易出现内存溢出问题，因此这部分内存在JDK8后已经被移植到堆中，称为元空间（Meta Space）
• 直接内存区(direct memory)：NIO类可直接使用native函数库直接分配堆外内存进行Channel和Buffer的使用，称为直接内存区，这部分内存不受虚拟机GC管理

2.2 JVM对象特征

1. 创建对象

虚拟机为新建对象分配内存空间采用如下两种分配算法：

• 指针碰撞：堆内存完全规整，已用内存空间和未用内存空间中间由分界指针划开，新建内存时只需要将指针向未用内存区域挪动即可；带Compact过程的GC（Serial、ParNew等）采用该分配算法
• 空闲列表：堆内存随机分布，有一个列表用于记录堆中哪些内存未占用，新建对象时直接从列表上取一块内存进行使用；基于Mark-Sweep算法的GC（CMS等）采用该分配算法

如何保证分配内存过程的原子性：

• CAS同步：虚拟机采用CAS方式进行失败重试来分配内存
• TLAB：把内存分配动作按照线程划分在不同区域，各线程在堆中预先分配一小块内存（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），哪个线程要分配内存就在哪个线程的TLAB上进行分配，当TLAB用完并分配新的TLAB时才重新采用CAS方式

创建对象的整个过程：

graph TD
确保类已被加载并初始化-->获取对象大小
获取对象大小-->A{是否在TLAB中分配对象}
A{是否在TLAB中分配对象}-->|否|直接在Eden中分配对象
A{是否在TLAB中分配对象}-->|是|TLAB中分配
直接在Eden中分配对象-->CAS方式分配空间
CAS方式分配空间-->将分配的内存空间赋0值
TLAB中分配-->将分配的内存空间赋0值
将分配的内存空间赋0值-->编辑对象头
编辑对象头-->对象引用入栈
对象引用入栈-->初始化对象

2. 对象在内存中的结构

一个对象在内存中包括3个区域：对象头、实例数据、对齐填充（padding）：

• 对象头：第一部分（Mark Word）包括HashCode、GC分代年龄、锁状态标志、线程当前持有锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，在32位和64位JVM中大小分别为32bit和64bit；Mark Word在不同的状态下（状态用2bit的锁标志位来标记），存储结构不同，以下是5中状态时存储的不同内容：

存储内容	标志位	状态
Hashcode和分代年龄	01	未锁定
指向锁记录的指针	00	轻量级锁定
指向重量级锁的指针	10	重量级锁定
空	11	GC标记
偏向线程ID、偏向时间戳、分代年龄	01	可偏向

对象头第二部分是类型指针，用于确定这个类是哪个类的实例

如果对象是数组，还要有一块记录数组长度的数据

• 实例数据：对象实际存储的数据，相同宽度的成员变量一般分配到一起
• 对其填充：通常作为占位符，因为Hotspot要求对象大小必须是8的整倍数

3. 对象访问定位

目前市面上的JVM对于对象地址的定位有两种处理方式：

• 句柄访问：栈中保存的引用指向的是堆中的句柄池，引用存储的是某个对象句柄的地址，句柄中包含对象数据当前实际地址和对象类型数据地址
• 直接指针访问：栈中的引用直接指向堆中对象数据的实际地址

目前Hotspot用的是第二种方式