JVM之运行时数据区域和对象

运行时数据区域

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域：

Java虚拟机由三个子系统构成，分别是类加载子系统、JVM运行时数据区和执行引擎。类加载子系统将硬盘上的字节码文件加载进内存，JVM运行内存有一套自己的结构划分如图所示，最终程序要运行，需要操作系统分配相应的时间调度，由执行引擎去执行，才能得到最终结果。

程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，是当前线程所执行的字节码的行号指示器。字节码解释器工作时，需要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，它是程序控制流的指示器，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。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。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，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，这类内存区域被称为“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；如果正在执行的是本地（Native）方法，这个计数器值则应为空（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。

Java虚拟机栈

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。

虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

Java虚拟机栈中局部变量表存放了编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、
long、float、double）、对象引用（reference类型，它并不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，其中64位长度的long和double类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。

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，这个方法需要在栈帧中分配多大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。这里说的“大小”是指变量槽的数量，
虚拟机真正使用多大的内存空间（譬如按照1个变量槽占用32个比特、64个比特，或者更多）来实现一个变量槽，这由具体的虚拟机实现自行决定。

在《Java虚拟机规范》中，对这个内存区域规定了两类异常状况：

  • 栈深度溢出：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；
  • 栈扩展失败：如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的：

  • 虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务；
  • 本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。

《Java虚拟机规范》对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有任何强制规定，因此具体的虚拟机可以根据需要自由实现它，甚至有的Java虚拟机（譬如Hot-Spot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

与虚拟机栈一样，本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆

对于Java应用程序来说，Java堆（Java Heap）是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。

此内存区域的唯一目的就是存放对象实例（字符串常量JDK8后也放入堆中），Java
世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的内存区域，因此也被称作“GC堆”（Garbage Collected
Heap）。从回收内存的角度看，由于现代垃圾收集器大部分都是基于分代收集理论设计的，所以Java堆中经常会出现“新生代”“老年代”“永久代”“Eden空间”“From Survivor空间”“To Survivor空间”等名词，这些区域划分仅仅是一部分垃圾收集器的共同特性或者设计风格而已，而非某个Java虚拟机具体实现的固有内存布局，更不是《Java虚拟机规范》里对Java堆的进一步细致划分。

根据《Java虚拟机规范》的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但在逻辑上它应该被视为连续的。这点就像我们用磁盘空间去存储文件一样，并不要求每个文件都连续存放。但对于大对象（典型的如数组对象），多数虚拟机实现出于实现简单、存储高效的考虑，很可能会要求连续的内存空间。
Java堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过参数-Xmx和-Xms设定）。

如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。

元空间

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元信息、字段、常量、静态变量、方法、即时编译器编译后的代码缓存等数据。

在JDK 8以前，很多人都更愿意把方法区称呼为“永久代”（Permanent
Generation），或将两者混为一谈。到了JDK 8，完全废弃了永久代的概念，改用在本地内存中实现的元空间（Metaspace）
来代替，把JDK 7中永久代还剩余的内容（主要是类型信息）全部移到元空间中。

《Java虚拟机规范》对方法区的约束是非常宽松的，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，甚至还可以选择不实现垃圾收集，但是这部分区域的回收有时又确实是必要的。

根据《Java虚拟机规范》的规定，如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是元数据区的一部分。

Class文件中除了有类的版本、字
段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

  • 字面量可以理解为实际值，int a = 8中的8和String a = "hello"中的hello都是字面量

  • 符号引用就是一个字符串，只要我们在代码中引用了一个非字面量的东西，不管它是变量还是常量，它都只是由一个字符串定义的符号，这个字符串存在常量池里，类加载的时候第一次加载到这个符号时，就会将这个符号引用（字符串）解析成直接引用（指针）

当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

内存泄漏与内存溢出

  • 内存泄露是指申请的内存空间没有被正确释放，导致后续程序里这块内存被永远占用（不可达），而且指向这块内存空间的指针不再存在时，这块内存也就永远不可达了，内存空间就这么一点点被蚕食——内存申请后，用完没有释放，造成可用内存越来越少。

    • 比如有10张纸，本来一人一张，画完自己擦了还回去，别人可以继续画，现在有个坏蛋要了纸不擦不还，然后还跑了找不到人了，如此就只剩下9张纸给别人用了，这样的人多起来后，最后大家一张纸都没有了。

  • 内存溢出是指存储的数据超出了指定空间的大小，这时数据就会越界

    • 常见的溢出，是指在栈空间里，分配了超过数组长度的数据，导致多出来的数据覆盖了栈空间其他位置的数据，这种情况发生时，可能会导致程序出现各种难排查的异常行为，或是被有心人利用，修改特定位置的变量数据达到溢出攻击的目的。
    • Java中的内存溢出，一般指(OOM)这种Error，它更像是一种内存空间不足时发生的错误，并且也不会导致溢出攻击这种问题

StackOverFlow和OutOfMemory区别

StackOverFlow

  • 每当java程序启动一个新的线程时，java虚拟机会为他分配一个栈，java栈以帧为单位保持线程运行状态；当线程调用一个方法是，jvm压入一个新的栈帧到这个线程的栈中，只要这个方法还没返回，这个栈帧就存在。

  • 如果方法的嵌套调用层次太多(如递归调用)，随着java栈中的帧的增多，最终导致这个线程的栈中的所有栈帧的大小的总和大于-Xss设置的值，而产生StackOverFlowError溢出异常。

OutOfMemory

  • 栈内存溢出
    • java程序启动一个新线程时，没有足够的空间为改线程分配java栈，一个线程java栈的大小由-Xss设置决定；JVM则抛出OutOfMemoryError异常。
  • 堆内存溢出
    • java堆用于存放对象的实例，当需要为对象的实例分配内存时，而堆的占用已经达到了设置的最大值(通过-Xmx)设置最大值，则抛出OutOfMemoryError异常。
  • 方法区内存溢出
    • 方法区用于存放java类的相关信息，如类名、访问修饰符、常量池、字段描述、方法描述等。
    • 在类加载器加载class文件到内存中的时候，JVM会提取其中的类信息，并将这些类信息放到方法区中。
    • 当需要存储这些类信息，而方法区的内存占用又已经达到最大值（通过-XX:MaxPermSize）；将会抛出OutOfMemoryError异常

HotSpot虚拟机对象

Java是一种面向对象的语言，而Java对象在JVM中的存储也是有一定的结构的。而这个关于Java对象自身的存储模型称之为Java对象模型。

HotSpot虚拟机中，设计了一个OOP-Klass Model。OOP（Ordinary Object Pointer）指的是普通对象指针，而Klass用来描述对象实例的具体类型。

每一个Java类，在被JVM加载的时候，JVM会给这个类创建一个instanceKlass，保存在方法区，用来在JVM层表示该Java类。当我们在Java代码中，使用new创建一个对象的时候，JVM会创建一个instanceOopDesc对象，这个对象中包含了对象头以及实例数据。

对象的创建

  1. 类加载

    当Java虚拟机遇到一条字节码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被加载、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。

  2. 线程安全的内存分配

    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完全确定，为对象分配空间的任务实际上便等同于把一块确定大小的内存块从Java堆中划分出来。

    • 指针碰撞：假设Java堆中内存是绝对规整的，所有被使用过的内存都被放在一边，空闲的内存被放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间方向挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为“指针碰撞”（Bump The
      Pointer）。
    • 空闲列表：但如果Java堆中的内存并不是规整的，已被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在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，并更新列表上的记录，这种分配方式称
      为“空闲列表”（Free List）。

    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带有空间压缩整理（Compact）的能力决定。

    • 当使用Serial、ParNew等带压缩整理过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，既简单又高效；
    • 而当使用CMS这种基于清除（Sweep）算法的收集器时，理论上就只能采用较为复杂的空闲列表来分配内存。

    除如何划分可用空间之外，还有另外一个需要考虑的问题：对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的，可能出现正在给对象A分配内存，指针还没来得及修改，对象B又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。

    解决这个问题有两种可选方案：

    • 一种是对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机是采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；
    • 另外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（Thread Local Allocation
      Buffer，TLAB），哪个线程要分配内存，就在哪个线程的本地缓冲区中分配，只有本地缓冲区用完
      了，分配新的缓存区时才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX：+/-UseTLAB参数来设定。

  3. 内存空间初始化

    内存分配完成之后，虚拟机必须将分配到的内存空间（但不包括对象头）都初始化为零值，如果使用了TLAB的话，这一项工作也可以提前至TLAB分配时顺便进行。这步操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，使程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

  4. 对象的对象头设置

    接下来，Java虚拟机还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（实际上对象的哈希码会延后到真正调用Object::hashCode()方法时才计算）、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头（Object Header）之中。根据虚拟机当前运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。

  5. 构造函数

    在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了。但是从Java程序的视角看来，对象创建才刚刚开始——构造函数，即Class文件中的<init>()方法还没有执行，所有的字段都为默认的零值，对象需要的其他资源和状态信息也还没有按照预定的意图构造好。一般来说（由字节码流中new指令后面是否跟随invokespecial指令所决定，Java编译器会在遇到new关键字的地方同时生成
    这两条字节码指令，但如果直接通过其他方式产生的则不一定如此），new指令之后会接着执行<init> ()方法，按照程序员的意愿对对象进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全被构造出来。

对象的内存布局

在HotSpot虚拟机里，对象在堆内存中的存储布局可以划分为三个部分：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

对象头

HotSpot虚拟机对象的对象头部分包括两类信息

  • 第一类是用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、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位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32个比特和64个比特，官方称它为“Mark Word”。
  • 对象头的另外一部分是类型指针，即对象指向它的类型元数据的指针，Java虚拟机通过这个指针来确定该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。

实例数据

实例数据部分是对象真正存储的有效信息，即在程序代码里面所定义的各种类型的字段内容，无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的字段都必须记录起来。

对齐填充

对象的第三部分是对齐填充，这并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。

对象的访问定位

创建对象自然是为了后续使用该对象，Java程序会通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。由于reference类型在《Java虚拟机规范》里面只规定了它是一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过什么方式去定位、访问到堆中对象的具体位置，所以对象访问方式也是由虚拟机实现而定的，主流的访问方式主要有使用句柄和直接指针两种：

  • 如果使用句柄访问，Java堆中将可能会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，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自具体的地址信息。

  • 如果使用直接指针访问，Java堆中对象的内存布局就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference中存储的直接就是对象地址，如果只是访问对象本身的话，就不需要多一次间接访问的开销。

    使用直接指针来访问最大的好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多也是一项极为可观的执行成本。

posted @ 2021-03-12 23:05  chenzufeng  阅读(139)  评论(0)  编辑  收藏  举报