深入理解Java虚拟机 | 第二篇:Java内存区域

对于从事C、C++程序开发的开发人员来说,在内存管理领域,他们既是拥有最高权力的“皇帝”又是从事最基础工作的“劳动人民”——既拥有每一个对象的“所有权”,又担负着每一个对象生命开始到终结的维护责任。

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,由虚拟机管理内存这一切看起来都很美好。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,一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题,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。

一:Java虚拟机运行时数据区

《深入理解Java虚拟机 | 第二篇:Java内存区域》

1、程序计数器:程序计数器是一块较小的内存空间,它的作用可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里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,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

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Native方法,这个计数器值则为空(Undefined)。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。

2、Java虚拟机栈:线程私有,声明周期同线程相同。每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、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栈中入栈到出栈的过程。

3、本地方法栈:本地方法栈(Native Method Stack)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。

4、Java堆:Java堆(Java Heap)是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块,被所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例,几乎所有的对象实例都在这里分配内存。所以Java堆是垃圾收集器管理的主要区域,从内存回收的角度来看,Java堆中还可以细分为:新生代和老年代;再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间、old空间。

5.方法区:方法区(Method Area)与Java堆一样,是各个线程共享的内存区域,它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。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是它却有一个别名叫做Non-Heap(非堆),目的应该是与Java堆区分开来。很多人都更愿意把方法区称为“永久代”(Permanent Generation),但是并不等价,因为这块区域也有可能发生GC。

6、运行时常量池:运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分。用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。

7、直接内存:直接内存(Direct Memory)并不是虚拟机运行时数据区的一部分,由于在JDK 1.4中新加入了NIO(New Input/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。

二:对象的创建

java是面向对象的语言,因此对象的创建无时无刻都存在。在语言层面,使用new关键字即可创建出一个对象。但是在虚拟机中,对象创建的创建过程则是比较复杂的。

首先,虚拟机运到new指令时,会去常量池检查是否存在new指令中包含的参数,比如new People(),则虚拟机首先会去常量池中检查是否有People这个类的符号引用,并且检查这个类是否已经被加载了,如果没有则会执行类加载过程。

在类加载检查过后,接下来为对象分配内存当然是在java堆中分配,并且对象所需要分配的多大内存在类加载过程中就已经确定了。为对象分配内存的方式根据java堆是否规整分为两个方法:

a、指针碰撞(Bump the Pointer):如果java堆是规整的,即所有用过的内存放在一边,没有用过的内存放在另外一边,并且有一个指针指向分界点,在需要为新生对象分配内存的时候,只需要移动指针画出一块内存分配和新生对象即可,

b、空闲列表(Free List):当java堆不是规整的,意思就是使用的内存和空闲内存交错在一起,这时候需要一张列表来记录哪些内存可使用,在需要为新生对象分配内存的时候,在这个列表中寻找一块大小合适的内存分配给它即可。而java堆是否规整和垃圾收集器是否带有压缩整理功能有关。

在为新生对象分配内存的时候,同时还需要考虑线程安全问题。因为在并发的情况下内存分配并不是线程安全的。有两种方案解决这个线程安全问题:

a、为分配内存空间的动作进行同步处理;

b、为每个线程预先分配一小块内存,称为本地线程分配缓存(Thread Local Allocation Buffer, TLAB),哪个线程需要分配内存,就在哪个线程的TLAB上分配。

内存分配后,虚拟机需要将每个对象分配到的内存初始化为0值(不包括对象头),这也就是为什么实例字段可以不用初始化,直接为0的原因。

接来下,虚拟机对对象进行必要的设置,例如这个对象属于哪个类的实例,如何找到类的元数据信息。对象的哈希吗、对象的GC年代等信息,这些信息都存放在对象头之中。

执行完上面工作之后,所有的字段都为0,接着执行<init>指令,把对象按照程序员的指令进行初始化,这样一个对象就完整的创建出来

三:对象的内存布局

对象在内存的存储布局中包括:对象头、实例数据、对齐填充

对象头(Header):包含两部分信息。1、存储对象自身的运行时数据,比如哈希码、GC分代年龄等;2、类型指针:通过这个指针确定这个对象属于哪个类。

实例数据(Instance Data):存储代码中定义的各种类型的字段内容。

对齐填充(Padding):这部分信息没有任何意义,仅仅是为了使得对象占的内存大小为8字节的整数倍。

四:对象的访问定位

创建对象是为了使用对象,java程序需要通过栈上的reference数据来操作栈上的具体对象。目前主流的访问对象方式有使用句柄和直接指针两种。

1、使用句柄方式:会在java堆中创建一个句柄池,reference指向的这块句柄池,句柄池中包括两个指针,其中一个指针指向对象实例数据,另外一个指针指向对象的类型数据。

2、使用指针的方式:reference存储的直接就是对象的地址。

两种方式各有各的特点,如果使用句柄方式的话,最大的好处是reference存放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。使用指针的方式优势则是速度快,并且省去了一次指针定位的开销,Sun hotspot使用这种方式。

    原文作者:java虚拟机
    原文地址: https://blog.csdn.net/qq_38455201/article/details/80911774
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