自动内存管理机制

虚拟机运行时数据区

1. 程序计数器
2. 虚拟机栈/本地方法栈
3. 方法区
4. 堆区

• 程序计数器
  每个线程都有一个独立的计数器，并与其他线程隔离，通过改变计数器的值进行字节码指令的操作，实现分支、跳转、循环、异常处理、线程恢复……等功能。
• 虚拟机栈
  线程私有，生命周期与线程相同，每个方法执行的同时都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息等。每个方法的调用（入栈）直至执行完成（出栈）的过程，对应值一个栈帧在虚拟机栈中的入栈和出栈过程。
  局部变量表储存了编译期可知的各种基本类型、引用（非对象本身）、returnAdress（指向一串字节码指令的地址），其空间在编译器分配，方法在帧中分配多大的局部变量空间是编译器就确定的，不会在运行时发生改变。
  如果线程请求栈深度大于虚拟机允许深度，抛出StackOverflowError异常
  如果虚拟机栈可以动态扩展，但在扩展时无法申请到足够内存，抛出OutOfMemoryError异常
• 本地方法栈
  类似虚拟机栈，区别为虚拟机栈为虚拟机执行java方法，本地方法栈执行非java代码。
• 堆
  线程共享，虚拟机启动时创建，用来存放对象实例，几乎所有的对象实例在此处分配内存。物理上可连续可不连续，保证逻辑连续即可，同时大小有固定有扩展，若扩展失败，则抛出OutOfMemoryError异常。
• 方法区
  线程共享，用于存储虚拟机已经加载的常量，类信息，静态变量等。内存可连续可不连续，可固定可扩展，无法扩展时抛出OutOfMemoryError异常。
• 运行时常量池
  方法区的一部分，用于存放编译期间产生的各种字面量和符号引用。
• 直接内存
  并不是运行时数据区一部分，也不是虚拟机规范中定义的内存区域。NIO类能够使用native函数创建堆外内存，然后通过储存在堆里的DirectByteBuffer对象对这块内存进行引用操作，避免java堆和native堆来回复制数据，提高部分场景应用，但该内存仍然受限于物理内存，也可能产生OutOfMemoryError异常。

HotSpot对象

• 对象创建
  首先进行类加载检查，通过后为对象在堆中分配内存区域。
  • 若堆中内存规整（指针分界，一边用过，一边还没用），直接将指针移动对象大小等距离，该方法称为 “指针碰撞”。
  • 若堆中内存不规整，虚拟机需要额外维护一份列表，从列表中找出一块足够分配对象内存的区域，该方法成为 空闲列表。
• 指针碰撞时的线程安全
  当多线程操作时，指针的移动可能发生危险，如一个线程A正在分配内存还未移动指针，线程B又使用该线程分配新的内存。有两种方案解决：
  • 对指针操作进行加锁，使用CAS保证原子性。
  • 给线程划分相对独立的堆区域（本地线程分配缓冲，TLAB），各个线程创建对象分配内存时在自己的TLAB分配，只有当TLAB不够需要新的TLAB时才会进行同步操作。
• 零值初始化
  内存分配后对对象进行初始化零值，可以保证对象字段不被赋初始值也可以直接使用。
• 设置对象头
• init初始化

对象的内存布局

1. 对象头
2. 实例数据
3. 对齐填充

• 对象头

  • MarkWord（运行时数据），存储hashcode、GC分代年龄，锁状态标志，线程持有的锁、偏向线程ID等
  • 类型指针，对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针确定该对象是哪个类的实例。并不是所有虚拟机都有类型指针。

• 实例数据
  对象真正存储的有效信息，程序代码中定义的各种类型字段的内容。存储顺序收到虚拟机策略参数和在java代码中定义的顺序有关。HotSpot默认规范是相同宽度的字段总是分配在一起（longs/doubles，ints，shorts/chars……）

• 对齐填充
  非必须，占位符左右，对象大小必须是8的整数倍，对象头满足，而实例数据不一定，该字段用来填充补齐。

对象的使用

通过栈中的reference来操作堆中的对象，reference访问对象的方式主要有两种：

• 句柄
  • 堆中划分一块作为句柄池，reference储存句柄地址，句柄中存储着实例数据与类型数据具体的地址信息。
  • 好处是reference储存的数据稳定，对象移动时只需要改变句柄中的实例数据指针。
    
• 直接指针
  • reference储存的是对象的地址信息。
  • 好处是速度快，无需一次额外的地址指针操作。