java虚拟机运行时数据区域

概述：对于java程序员来说，在虚拟机自动内存管理机制的帮助下不再需要为每一个new操作去写配对的delete/free代码，不容易出现内存泄漏和内存溢出问题，由虚拟机管理内存，不过也正是因为java程序员把内存控制的权力交给了java虚拟机，一旦出现内存泄露和溢出方面的问题，如果不了解虚拟机是怎样使用内存的，那么排查错误将会成为一项异常艰难的工作。

运行时数据区域

程序计数器
当前线程所执行的字节码的行号指示器，字节码解释器的工作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。
java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器的执行时间来实现的，因此为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为"线程私有"的内存
如果线程正在执行的是一个java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址，如果正在执行的是一个native方法，这个计数器的值则为空。
java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用来存储局部变量表，操作树栈，动态链接，方法出口等信息。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中入栈到出栈的过程。
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
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，这个方法需要在栈中分配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，虚拟机栈为虚拟机执行java方法(也就是字节码服务)
本地方法栈
与虚拟机栈发挥的作用非常类似，为虚拟机使用到的Native方法服务
java堆
java堆是java虚拟机所管理的内存中最大的一块
java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建，此内存区域唯一目的就是存放对象的实例，几乎所有的对象实例和数组都在这里分配内存
也叫GC堆，是垃圾收集器管理的主要区域
java堆可以处于物理不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可
方法区
与java堆一样，是多个线程共享的内存区域，用于存储已被虚拟机加载的类信息，常量，静态变量，即时编译器编译后的代码等数据。
jdk 1.7之前

在JDK1.7以前HotSpot虚拟机使用永久代来实现方法区，永久代的大小在启动JVM时可以设置一个固定值（-XX:MaxPermSize），不可变；在JDK1.7中 存储在永久代的部分数据就已经转移到Java Heap或者Native memory。譬如符号引用(Symbols)转移到了native memory，原本存放在永久代的字符常量池移出。但永久代仍存在于JDK 1.7中，并没有完全移除。

JDK1.8中进行了较大改动

    移除了永久代（PermGen），替换为元空间（Metaspace）；
    永久代中的 class metadata 转移到了 native memory（本地内存，而不是虚拟机）；
    永久代中的 interned Strings 和 class static variables 转移到了 Java heap；
    永久代参数 （PermSize MaxPermSize） -> 元空间参数（MetaspaceSize MaxMetaspaceSize）

运行时常量池
运行时常量池是方法区的一部分，用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。
运行时常量池具备动态性，java语言不要求常量一定只要编译器才能产生，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，运行期间也可以将新的常量放入常量池，这种特性被开发人员利用的比较多的就是string类的intern()方法。
直接内存
并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。
在jdk 1.4中新加入了NIO类，引入了一种基于通道与缓冲区的I/O方式，它可以使用native本地函数库直接分配内存，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。
直接内存的分配受到本机总内存(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。

对象的创建

​ 虚拟机遇到一个new指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到这个类的符号引用（类名称），并且检查这个类是否被加载、解析和初始化过。如果没有那就先执行相应的类加载过程。

在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可确认。

分配内存的两种方式

1、指针碰撞：java堆中内存是绝对规整的，具体的实现是在用过的内存和空闲内存中间放一个指针，然后移动指针，移动出所需的内存

2、空闲列表：内存不规整，列表中记录上哪些内存是可用的，在分配的时候在列表中找出一个足够大的空间分配给对象的实例，并更新空闲列表。

选择哪种分配方式由java堆是否规整决定，而java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否有压缩整理功能决定。

因此在使用serial,parnew等带compat过程的收集器时采用指针碰撞的方法，CMS这种基于Mark-word的收集器时采用空闲列表的方式。

解决分配内存线程不安全的问题

对象的创建在虚拟机上是非常频繁的行为，即使是一个指针可能在给对象A分配内存的时候，指针还没来得及修改，然后对象B又使用原来的指针来分配内存，这是线程不安全的。解决这个问题有两种方案，

一种是对分配内存空间的动作进行同步处理—实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方法保证更新操作的原子性。

另一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在java堆中预先分配一小块内存，称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

内存分配完毕后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为0值（不包括对象头），如果使用TLAB，这一工作过程也可以提前到TLAB分配时进行，这一步操作保证了对象的实例字段在java代码中可以不赋初值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

接下来虚拟机要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。

上面的工作完成后只能说是在虚拟机的视角上来看一个新的对象已经产生了，但是在Java程序的角度上，对象的创建才刚刚开始，方法还没有执行。所有的字段都还为0，所以一般来说执行完new指令后会接着执行init方法，方法把对象按照程序员的意愿进行初始化。

对象的内存布局

在hotspot虚拟机中对象在内存中存储的布局可以分为3个部分，对象头，实例数据和对齐填充。

对象头：1、存储对象自身的运行时数据，如哈希码，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、64位的虚拟机中分别为32bit和64bit也叫"Mark word" ,Mark word 被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存存储尽量多的信息。它会根据对象的状态复用自己的存储空间

2、类型指针：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。如果对象是一个java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据。因为虚拟机可以通过普通对象的元数据信息来确定java对象的大小，但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。

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。无论是父类继承下来的还是子类中定义的，都需要记录下来。存储的顺序受分配策略的影响，hotspot虚拟机采用的分配策略是将相同宽度的字段分配在一起（longs/doubles,ints,shorts/chsrs,bytes/booleans,oops）。

对齐填充：并不是必然存在的，起着占位符的作用，由于HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分刚好是8字节的倍数，因此当对象实例数据没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

对象的访问定位

句柄

直接指针

使用句柄的好处是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象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。

使用直接指针的好处是速度更快，节省了一次指针定位的时间开销，

内存溢出异常（OutOfMeMoryError）

​ 除了程序计数器之外别的其他几个运行时内存区域都有发生内存溢出的情况。

Java堆溢出

​ Java堆用于存储对象，只要不断地创建对象，并且避免垃圾回收清除这些对象，那么在对象数量达到最大堆的容量限制之后就会发生内存溢出异常。

虚拟机栈和本地方法栈溢出

• 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度，则会抛出StackOverflowError异常

• 如果虚拟机在扩展栈的时候无法申请到足够的内存空间，则会抛出OutOfMomeryError异常

  实验表明在单个线程之下，无论是由于栈帧太大还是虚拟机容量太小，当内存无法分配的时候，都会抛出StackOverflowError异常

  如果不断建立线程，倒是可以发生内存溢出异常，在这种情况下每个线程的栈分配的内存越大，反而更加容易产生内存溢出异常。

  如果是建立过多线程，从而出现的内存溢出异常，可以通过减少最大堆和栈的容量来换取更多的线程。

方法区和运行时常量池溢出

​ 使用intern方法 无限放入常量。

​ 产生大量的类去填满方法区

本机直接内存溢出