Java内存区域
1.简述
对于Java程序员来说，在虚拟机自动内存管理机制下，不需要关心内存的回收问题，但是一旦出现内存泄漏和溢出问题，如果不了解虚拟机是怎么管理内存的，那么问题排查工作将是一项非常艰巨的任务。本文主要从概念层面介绍虚拟机内存的各个区域，以及对象创建时内存如何分配。
2.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区域。这些区域都有不同的用途，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则依赖于用户线程的启动和结束而创建和销毁。根据Java虚拟机规范的规定，Java虚拟机所管理的内存包含以下几个运行时区域
2.1.程序计数器
程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它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跳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。
由于java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器都会执行一条线程的指令。因此，为了线程切换后能够恢复到正确的执行位置，每条线程都需要一个独立的程序计数器，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，这个计数器的值则为空（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。
2.2.Java虚拟机栈
与程序计数器一样，java虚拟机栈（java virtual machine stacks）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方法执行的内存模型，每个方法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，就对应一个栈帧在虚拟机栈中入栈和出栈的过程。
局部变量表存放了编译期的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用和returnAddress类型（指向一条字节码指令地址）
64位的long和double会占据2个局部变量空间（slot），其余类型占据1个。局部变量表所需要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。
在Java虚拟机规范中，这个区域规定了两种异常情况：
- 如果线程请求栈的深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常
- 如果虚拟机栈动态扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常
总结：
| 关键词 | 描述 |
|---|---|
| 栈帧 | 存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息 |
| 方法生命周期 | 方法从调用到完成，对应着栈帧的入栈和出栈 |
| 异常情况 | 此区域有2中异常情况 |
| StackOverflowError异常 | 线程请求栈的深度大于虚拟机所允许的深度 |
| OutOfMemoryError异常 | 虚拟机栈动态扩展时无法申请到足够的内存 |
2.3.本地方法栈
本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈的作用是非常相似的,他们之间的区别是：
- 虚拟机栈为虚拟机执行方法服务
- 本地方法栈为虚拟机使用本地（Native）方法服务
- 在虚拟机规范中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强制规定，因此具体的虚拟机可以自由的实现它。
- 与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。
2.4.Java堆
对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）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。此内存区域唯一的目的是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配。
Java虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都在堆上分配，但是随着JIT编译器的发展和逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化，所有对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么绝对。
总结：
| 关键词 | 描述 |
|---|---|
| Java堆作用 | 存放对象实例和数组 |
| 线程共享 | 所有线程共享的一块内存区域 |
| 垃圾收集器 | java堆是垃圾收集器管理的主要区域 |
| OutOfMemoryError | 如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆无法再扩展时，将会抛出内存溢出 |
2.5.方法区
方法区（Method Area）与Java堆一样，是所有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。
| 关键词 | 描述 |
|---|---|
| Java方法区作用 | 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 |
| 线程共享 | 所有线程共享 |
| OutOfMemoryError | 当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出内存溢出异常 |
2.6.运行时常量池
运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项就是常量池（Constant Pool Table）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存放。
运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，java语言并不要求常量一定只有编译器才能产生，也就是并非预置入Class文件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池中，这种特性被开发人员用的比较多的地方是String类的intern()方法.
既然运行时常量是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。
| 关键词 | 描述 |
|---|---|
| 作用 | 存放编译器生成的各种字面量和符号引用 |
| 归属 | Java方法区的一部分 |
| 特性 | 具备动态扩展的特性 |
| OutOfMemoryError | 当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常 |
3.直接内存
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。但是这部分内存也被频繁的使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。
在JDK1.4中新加入了NIO(New Input/Output)类，引入了一种基于通道（Channel）和缓冲区(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明显提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆之间反复复制数据。
很显然，直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是还是会受到本机总内存大小及处理器寻址空间的限制。在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，却经忽略了直接内存，导致各个内存区域总和大于物理内存限制，最终导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。
4.HotPot虚拟机对象
在代码层面上创建一个对象，对于程序员来说仅仅是一个new关键字而已，但在虚拟机中对象的创建是一个怎样的过程呢？答案如下：
当虚拟机遇到一条new指令时，首先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，就先执行相应的类加载过程。
4.1.对象的内存分配
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，包括以下两种分配方式：
4.1.1.指针碰撞
假设Java堆中的内存是完全规整的，使用中的内存在一边，空闲的内存在另一边，中间是一个指针作为分界点的指示器，那么分配内存时只需要将指针向空闲空间一边挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式成为“指针碰撞”
4.1.2.空闲列表
如果Java堆中的内存不是规整的，已使用的内存和空闲内存相互交错，那就没办法用指针碰撞来分配内存了，这时虚拟机就必须维护一个列表，上边记录着哪块内存是可用的，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，并更新列表记录信息，这种分配方式成为“空闲列表”
总结：使用哪种分配方式由Java堆是否规整决定的，而Java堆是否规整又有所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定的。因此，在使用Serial、ParNew等带有Compact过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，而使用CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器时，系统采用的分配方式是空闲列表
4.2.对象的内存布局
对象在内存中存储的布局分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance）、对齐填充（Padding）
4.2.1.对象头（Header）
对象头包括两部分信息，第一部分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、偏向锁ID、偏向时间戳等，这部分数据的长度在32位和64位虚拟机中分别为32bit和63bit，官方称为“Mark Word”。但是对象存储的数据比较多，一般都会大于32，64位Bitmap结构所能记录的长度，考虑到虚拟机的空间效率，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 。
| 存储内容 | 标志位 | 状态 |
|---|---|---|
| 对象哈希码、对象分代年龄 | 01 | 未锁定 |
| 指向锁记录的指针 | 00 | 轻量级锁定 |
| 指向重量级锁的指针 | 10 | 膨胀（重量级锁定） |
| 空，不需要记录信息 | 11 | GC标记 |
| 偏向锁ID、偏向时间戳、对象分代年龄 | 01 | 可偏向 |
对象头的另一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例（并非所有的虚拟机实现都必须在对象中记录这个指针）；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Java对象的元数据信息确定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。
4.2.2.实例数据（Instance）
实例数据是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定义的都需要记录下来。
实例数据存储顺序：与虚拟机分配策略参数和字段在Java源码中定义的顺序有关。
默认分配策略：longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers），从分配策略中可以看出，相同宽度的字段总是被分配到一起。
4.2.3.对齐填充（Padding）
该部分不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，换句话说，就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数（1倍或者2倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。
4.3.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来操作堆上的具体对象。由于reference类型在Java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中的对象的具体位置，所以对象的访问方式取决于虚拟机的实现而定。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种
4.3.1.使用句柄
如果使用句柄访问的话，那么Java堆中将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的具体地址信息
4.3.2.直接指针
指针访问 那么Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而reference中存储的直接就是对象地址
总结：
使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。
使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。HotSpot使用的是直接指针这种方式访问对象的。
参考资料：深入理解Java虚拟机
