Java虚拟机深入解析-优快云博客

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本片文章主要是《深入理解Java虚拟机》的读书笔记

1 运行时数据区域

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1.1 程序计数器

由于在JVM中，多线程是通过线程轮流切换来获得CPU执行时间的，因此，在任一具体时刻，一个CPU的内核只会执行一条线程中的指令，因此，为了能够使得每个线程都在线程切换后能够恢复在切换之前的程序执行位置，每个线程都需要有自己独立的程序计数器，并且不能互相被干扰，否则就会影响到程序的正常执行次序。因此，可以这么说，程序计数器是每个线程所私有的。
在JVM规范中规定，如果线程执行的是非native方法，则程序计数器中保存的是当前需要执行的指令的地址；如果线程执行的是native方法，则程序计数器中的值是undefined。
由于程序计数器中存储的数据所占空间的大小不会随程序的执行而发生改变，因此，对于程序计数器是不会发生内存溢出现象(OutOfMemory)的。

1.2 Java虚拟机栈

Java栈是Java方法执行的内存模型，每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程
Java栈中存放的是一个个的栈帧，每个栈帧对应一个被调用的方法，在栈帧中包括局部变量表(Local Variables)、操作数栈(Operand Stack)、指向当前方法所属的类的运行时常量池的引用(Reference to runtime constant pool)、方法返回地址(Return Address)和一些额外的附加信息。当线程执行一个方法时，就会随之创建一个对应的栈帧，并将建立的栈帧压入栈顶。当方法执行完毕之后，便会将栈帧出栈。
虚拟机栈中定义了两种异常，如果线程调用的栈深度大于虚拟机允许的最大深度，则抛出StatckOverFlowError（栈溢出）；不过多数Java虚拟机都允许动态扩展虚拟机栈的大小(有少部分是固定长度的)，所以线程可以一直申请栈，直到内存不足，此时，会抛出OutOfMemoryError（内存溢出）。
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局部变量表，就是用来存储方法中的局部变量以及方法的参数。对于基本数据类型的变量，则直接存储它的值，对于引用类型的变量，则存的是指向对象的引用。局部变量表的大小在编译器就可以确定其大小了，在程序执行期间局部变量表的大小是不会改变的。
操作数栈也被称为操作栈，用来存放操作数。在方法的执行过程中，会有各种字节码指令往操作数栈中写入和提取内容，也就是入栈和出栈操作。具体可参考探究 Java 虚拟机栈，java内存区域-虚拟机栈

1.3 本地方法栈

本地方法栈与Java栈的作用和原理非常相似。区别只不过是Java栈是为执行Java方法服务的，而本地方法栈则是为执行本地方法（Native Method）服务的。在JVM规范中，并没有对本地方发展的具体实现方法以及数据结构作强制规定，虚拟机可以自由实现它。在HotSopt虚拟机中直接就把本地方法栈和Java栈合二为一。

1.4 堆

堆区是理解Java GC机制最重要的区域。在JVM所管理的内存中，堆区是最大的一块，堆区也是Java GC机制所管理的主要内存区域，堆区由所有线程共享，在虚拟机启动时创建。堆区的存在是为了存储对象实例，原则上讲，所有的对象都在堆区上分配内存（不过现代技术里，也不是这么绝对的，也有栈上直接分配的）。
一般的，根据Java虚拟机规范规定，堆内存需要在逻辑上是连续的（在物理上不需要），在实现时，可以是固定大小的，也可以是可扩展的，目前主流的虚拟机都是可扩展的。如果在执行垃圾回收之后，仍没有足够的内存分配，也不能再扩展，将会抛出OutOfMemoryError:Java heap space异常。

1.5 方法区

方法区属于线程共享的内存区域，又称Non-Heap（非堆），主要用于存储已被虚拟机加载的类信息（包括类的名称、方法信息、字段信息）、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据，根据Java 虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError 异常。

值得注意的是在方法区中存在一个叫运行时常量池(Runtime Constant Pool）的区域，它主要用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用（符号引用就是编码是用字符串表示某个变量、接口的位置，直接引用就是根据符号引用翻译出来的地址，将在类链接阶段完成翻译），运行时常量池除了存储编译期常量外，也可以存储在运行时间产生的常量（比如String类的intern()方法，作用是String维护了一个常量池，如果调用的字符“abc”已经在常量池中，则返回池中的字符串地址，否则，新建一个常量加入池中，并返回地址）。到了Java 7之后，常量池已经不在持久代之中进行分配了，而是移到了堆中，即常量池和对象共享堆内存。

在JVM规范中，没有强制要求方法区必须实现垃圾回收。很多人习惯将方法区称为“永久代”，是因为HotSpot虚拟机以永久代来实现方法区，从而JVM的垃圾收集器可以像管理堆区一样管理这部分区域，从而不需要专门为这部分设计垃圾回收机制。

Java 8之后的版本，永久代已经被永久移除，取而代之的是Metaspace。方法区移至Metaspace，字符串常量移至Java Heap。

为什么要移除永久代？

大致就是说移除持久代也是为了和JRockit进行融合而做的努力，JRockit用户并不需要配置持久代（因为JRockit就没有持久代）。

持久代大小受到 -XX：PermSize 和 -XX：MaxPermSize 两个参数的限制，而这两个参数又受到JVM设定的内存大小限制，这就导致在使用中可能会出现永久代内存溢出的问题。
说说为什么会内存溢出：这一部分用于存放Class和Meta的信息,Class在被 Load的时候被放入PermGen space区域，它和和存放Instance的Heap区域不同,所以如果你的APP会LOAD很多CLASS的话,就很可能出现PermGen space错误。这种错误常见在web服务器对JSP进行pre compile的时候。

Metaspace

为了避免出现持久代内存溢出的问题，Java 8及之后的版本彻底移除了持久代而使用Metaspace来进行替代。

Metaspace是方法区在HotSpot中的实现，它与持久代最大的区别在于：Metaspace并不在虚拟机内存中而是使用本地内存。因此Metaspace具体大小理论上取决于32位/64位系统可用内存的大小，可见也不是无限制的，需要配置参数。详见：
Metaspace
Metaspace 之一：Metaspace整体介绍（永久代被替换原因、元空间特点、元空间内存查看分析方法）

1.6 运行时常量池

在方法区中有部分介绍，这里在补充些。
Class 文件中除了有类的版本，字段，方法，接口等描述信息，还有一项就是常量池，用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用，这部分内容在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。到了Java 7之后，常量池已经不在持久代之中进行分配了，而是移到了堆中，即常量池和对象共享堆内存。

1.7 直接内存

直接内存并不是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。通过 NIO 可以使用 Native 函数库直接分配对外内存，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。

2 对象

2.1 对象的创建

Java是一门面向对象的语言，Java程序运行过程中无时无刻都有对象被创建出来。在语言层面上，创建对象（克隆、反序列化）就是一个new关键字而已，但是虚拟机层面上却不是如此。看一下在虚拟机层面上创建对象的步骤：

1、虚拟机遇到一条new指令，首先去检查这个指令的参数能否在常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已经被加载、解析和初始化。如果没有，那么必须先执行类的初始化过程。

2、类加载检查通过后，虚拟机为新生对象分配内存。对象所需内存大小在类加载完成后便可以完全确定，为对象分配空间无非就是从Java堆中划分出一块确定大小的内存而已。这个地方会有两个问题：

（1）如果内存是规整的，那么虚拟机将采用的是指针碰撞法来为对象分配内存。意思是所有用过的内存在一边，空闲的内存在另外一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，分配内存就仅仅是把指针向空闲那边挪动一段与对象大小相等的距离罢了。如果垃圾收集器选择的是Serial、ParNew这种基于压缩算法的，虚拟机采用这种分配方式。

（2）如果内存不是规整的，已使用的内存和未使用的内存相互交错，那么虚拟机将采用的是空闲列表法来为对象分配内存。意思是虚拟机维护了一个列表，记录上哪些内存块是可用的，再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，并更新列表上的内容。如果垃圾收集器选择的是CMS这种基于标记-清除算法的，虚拟机采用这种分配方式。

另外一个问题及时保证new对象时候的线程安全性。因为可能出现虚拟机正在给对象A分配内存，指针还没有来得及修改，对象B又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。虚拟机采用了CAS配上失败重试的方式保证更新更新操作的原子性和TLAB两种方式来解决这个问题。
关于 TLAB：每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称之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，才需要同步锁定。虚拟机是否使用 TLAB，可以通过 -XX:+/-UseTLAB 参数来设定。

3、内存分配结束，虚拟机将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头）。这一步保证了对象的实例字段在Java代码中可以不用赋初始值就可以直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

4、对对象进行必要的设置，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，这些信息存放在对象的对象头中。

5、执行方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

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图片来自：JVM——java虚拟机创建对象与寻址对象

2.2 对象的内存分布

在 HotSpot 虚拟机中，对象在内存中存储的布局可分为 3 块区域：对象头，实例数据，对齐填充(Padding)。
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对象头包含两部分信息：

运行时数据（hash码、GC分代年龄、线程持有的锁、锁状态标志、偏向线程ID），这部分数据被称为Mark Word。它被色设计成非固定的数据结构以便极小的空间内存储更多的信息。
类型指针，对象指向它的类元数据的指针，用来确定该对象是哪个类的实例。

实例数据
对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的还是子类中定义的，都被记录其中。

对齐填充
并不是必然存在的，也无特别意义，仅仅起到占位符作用。HotSpot VM 要求对象起始地址必须是8自己的整数倍，也就是说对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数（1倍或2倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要对齐填充来补全。

2.3 对象的访问定位

JAVA程序访问对象需要通过栈上的reference数据操作堆上的具体对象，reference 是一个指向对象的引用。

对象的数据分两类：在堆中的是这个类的实例数据，在方法区中是它的类型数据。

类加载时将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在方法区内，然后在堆区创建一个这个类的java.lang.Class对象，用来封装类在方法区类的对象。

两种引用方式：句柄访问，指针访问
句柄访问：Java 堆中将划分出一块内存来作为句柄池，reference 中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含对象的实例数据与类型数据各自的具体地址信息。
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由于reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。