JVM--Java内存区域

一、java运行时数据区域

Java虚拟机在执行java程序的过程中将它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域，每个区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间。具体的如下图所示：

总体上来说JVM内存结构主要有三大块：堆内存、方法区和栈。堆内存细分为年轻代和老年代(老年代空间大小=堆空间大小-年轻代大空间大小)，而年轻代又分为三部分，Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间,默认情况下年轻代按照8:1:1的比例来分配。下面详细说下各个部分。

1.程序计数器

　　程序计数器占用的内存空间比较小，属于线程私有，可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。字节码解释器工作的时候需要借助计数器的值来获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通过计数器完成。由于java虚拟机的多线程通过线程轮流切换并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，一个处理器或者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Natvie方法，这个计数器值则为空（Undefined）。程序计数器是java虚拟机规范中唯一一个没有规定OutOfMemoryError情况的内存区域。

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：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被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从入栈到出栈的过程。 

　　局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能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）。

　　其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1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，对这个区域规定了两种异常状况：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；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

3.本地方法栈（Native Method Stacks）

　　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，其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，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。

4.Java堆（Heap）

　　Java虚拟机管理的内存中最大的一块，Java堆是被所有的线程共享的一块内存区域，在JVM启动的时候创建。java堆主要用于存放对象实例的。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主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”。如果从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以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空间等。

　　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，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。

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

注意：并不是所有的对象都分配在堆上。

5.方法区（Method Area）

　　方法区与java堆一样，是各个线程共享的内存区域。它用于存储已经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。对于习惯在HotSpot虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。

　　Java虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松，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，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。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。 

注意：在jdk1.7的Hotspot中，已经把原本存放在永久代的字符串常量池移出。

二、对象的创建

1.对象的创建过程

　　Java语言层面创建对象通常仅仅是一个new关键字而已，那么在虚拟机中，对象创建时怎样一个过程呢？当虚拟机遇到一条new指令的时候，首先检查这个指令的参数是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加载、解析和初始化过。如果没有则必须执行相应的类加载过程。

　　当类加载检查通过后，接下来虚拟机为新生对象分配内存。对象所需要的内存的大小在类加载完成后便可完全确定。

public class DemoObject {
    
    public static void main(String[] args) {
        DemoObject object = new DemoObject();
    }

}

当虚拟机执行上述代码的时候，涉及到了java虚拟机栈、方法区和java堆三个重要的内存区域。首先object作为引用类型的数据是保存在java虚拟机栈中的本地变量表中，在java堆中保存了一个实例化的DemoObject对象，Java堆中还必须包含能查找到此对象类型数据的地址信息（如对象类型、父类、实现的接口、方法等），这些类型数据则保存在方法区中。 

2.对象的访问定位

创建对象是为了使用对象，在java程序中需要通过保存在栈上的引用来访问保存在java堆上的具体对象。不同虚拟机通过引用访问对象的方式不同，主流的主要有两种：使用句柄和直接指针

通过句柄池访问的方式如下：

 通过直接指针访问的方式如下：

两种方式各有优势，使用句柄来访问最大好处reference中存储的是稳定句柄的地址，对象移动只会改变句柄中实例数据指针，reference本身不需要修改；直接指针访问的最大好处是速度更快，节省一次指针定位的时间开销。