Java虚拟机 - 内存模型

本文主要介绍Java虚拟机的内存分布以及对象的创建过程。

一、Java虚拟机的内存分布

文章开始前读者需要了解Java虚拟机的运行时数据区是怎样划分的。如下图所示：

1、程序计数器（Program Counter Register）

　　程序计数器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。

　　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执行时间的方式来实现的，所以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，为了线程切换后能够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，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

　　熟悉C++的读者应该了解“现场保护”这个概念，虽然“现场保护”对应的是函数调用，而这里的程序计数器对应的是线程之间的切换，但笔者认为它们的作用有点相似：都是为了线程或函数执行完后能够恢复到正确的位置。

 

2、Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

　　我们平时所说的栈区就是Java虚拟机栈。

　　与程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，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：每个方法在执行的同时都会创建一个栈桢（Stack Frame）用于存储该方法的信息，如局部变量表、操作数栈、方法的出口等信息。

　　每个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈桢入栈到出栈的过程。

　　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，不是对象本身）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的位置）。

　　Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：StackOverflowError异常和OutOfMemoryError异常。

 

3、Java堆（Java Heap）

　　Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块，该内存是被所有线程共享的，在虚拟机启动时创建。此内存区域存在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。既然Java堆中存放了几乎所有的实例，那么这里自然就成了垃圾收集器管理的主要区域。

　　当堆中没有内存完成了实例分配，并且堆也无法再扩张时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

 

4、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。

　　方法区还包括了运行时常量池。

　　当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

 

5、本地方法栈（Native Method Stack）

　　本地方法栈与虚拟机栈的作用非常相似，它们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，而本地方法栈则为了虚拟机使用到的Native方法服务。

　　在虚拟机规范中队本地方法栈方法使用的语言、使用的算法与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（如 Sun HotSpot 虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

　　该数据区抛出的异常和虚拟机栈相同：都会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

 

6、运行时常量池（Runtime Constant Pool）

　　运行时常量池属于方法区的一部分。虽然Java虚拟机没有单独为运行时常量池划分内存空间，但是由于该区域在平时开发中也是一个重要的部分，所以也为它单独列一个条目。

　　Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口的描述信息外，还有一项信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量的引用，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。

　　运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具有动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是说并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，如String类的intern()方法。

　　既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存是会抛出OutOfMemoryError异常。

 

二、对象的创建过程

　　Java是一门面向对象的语言，在Java程序运行过程中无时无刻都会有对象被创建出来。在语言层面上通产仅仅是一个new关键字，而在虚拟机中可就没有这么简单了：

　　虚拟机遇到一条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。　　在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象在Java堆中分配内存（对象所需的内存大小在内加载完成后便可完全确定）。接下来，虚拟机要对对象进行一些必要的设置，如这个对象是哪个类的实例、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（Object Header）之中。

　　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，但从Java程序的视角来看：对象创建才刚刚开始——<init>方法还没有执行，所有的字段都还为零。一般来说执行new指令之后会接着执行<init>方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化。这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

 

本文章系笔者的第一篇文章，文章中难免有错误和不足的地方，还请大家指正。