本文將介紹了 Java 虛擬機內(nèi)存的各個區(qū)域以及這些區(qū)域的作用、服務對象和其中可能出現(xiàn)的異常等。

JVM 運行時數(shù)據(jù)區(qū)域

Java 虛擬機在執(zhí)行 Java 程序的過程中會把它所管理的內(nèi)存劃分為五個不同的數(shù)據(jù)區(qū)域（如圖所示）梆奈。

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• 紅色邊框的是由所有線程共享的數(shù)據(jù)區(qū)
• 藍色邊框的是線程隔離的數(shù)據(jù)區(qū)

除了程序計數(shù)器之外撵颊，其他四個區(qū)域都可能會出現(xiàn) OutOfMemoryError 異常。

程序計數(shù)器

• 程序計數(shù)器是一塊較小的內(nèi)存空間

• 是當前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號顯示器

• 字節(jié)碼解釋器就是通過改變這個計數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令的

• 執(zhí)行 Java 方法和執(zhí)行 Native 方法的區(qū)別：

  • 執(zhí)行 Java 方法時抱虐，計數(shù)器記錄虛擬機正在執(zhí)行的字節(jié)碼指令的地址
  • 執(zhí)行 Native 方法時颈将，無記錄梢夯，也就是計數(shù)器的值為空（Undefined）

程序計數(shù)器是唯一一個不會出現(xiàn) OOM 的區(qū)域。

Java 虛擬機棧

• 每個 Java 方法被執(zhí)行的時候晴圾，Java 虛擬機都會同步創(chuàng)建一個棧幀用于存儲局部變量表颂砸、操作數(shù)棧、動態(tài)連接疑务、方法出口等信息

• 每個方法被調(diào)用一直到執(zhí)行完畢的過程沾凄，都對應著一個棧幀在 Java 虛擬機棧中從入棧到出棧的過程

• Java 虛擬機棧服務于 Java 方法

• 可能出現(xiàn)的異常：

  • StackOverflowError：線程請求的棧深度 大于 Java 虛擬機所允許的深度時
  • OutOfMemoryError：在 Java 虛擬機棧容量可動態(tài)擴展的情況下，當棧擴展時無法申請到足夠的內(nèi)存時

• 虛擬機參數(shù)設置：-Xss

本地方法棧

• 與 Java 虛擬機棧發(fā)揮的作用類似知允，區(qū)別在于本地方法棧服務于 Native 方法。

• 可能出現(xiàn)的異常：與 Java 虛擬機棧一樣叙谨。

Java 堆

• 唯一目的：存放對象實例

• 垃圾回收器管理的內(nèi)存區(qū)域

• 可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中温鸽，但是在邏輯上應該是連續(xù)的

• 可能出現(xiàn)的異常：

  • OutOfMemoryError：Java 堆中沒有內(nèi)存完成實例分配，并且堆也無法再擴展時

• 虛擬機參數(shù)設置：

  • 最大值：-Xmx

  • 最小值：-Xms

  • 兩個參數(shù)設置成相同值時可避免堆自動擴展

方法區(qū)

• 用于存儲已被 Java 虛擬機加載的類型信息、常量涤垫、靜態(tài)變量姑尺、即時編譯器編譯后的代碼緩存等數(shù)據(jù)

• 可以選擇不實現(xiàn)垃圾收集，換句話說垃圾收集行為在這個區(qū)域非常少見蝠猬，但是對于經(jīng)常動態(tài)性生成大量 Class 的應用切蟋，如 Spring 等，需要特別注意類的回收情況

• 可能出現(xiàn)的異常：

  • OutOfMemoryError：方法區(qū)無法滿足新的內(nèi)存分配需求時

運行時常量池

• 運行時常量池是方法區(qū)的一部分
• Class 文件除了有類的版本榆芦、字段柄粹、方法、接口等描述信息外匆绣，還有一項是常量池表驻右，用于存放編譯期生成的各種字面量（就是代碼中定義的 static final 常量）和符號引用，這部分內(nèi)容將在類加載后存放到方法區(qū)的運行時常量池中
• 可能出現(xiàn)的異常：
  • OutOfMemoryError：常量池無法再申請到內(nèi)存時

直接內(nèi)存

• 不屬于 Java 虛擬機運行時數(shù)據(jù)區(qū)域的一部分崎淳，放到這里講是因為這部分內(nèi)存在使用的時候也可能導致 OutOfMemoryError 異常的出現(xiàn)：各個內(nèi)存區(qū)域總和大于物理內(nèi)存限制（包括物理的和操作系統(tǒng)級的限制）堪夭，從而導致動態(tài)擴展時出現(xiàn) OutOfMemoryError 異常

• JDK1.4 的 NIO 類可以使用 Native 函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存，然后通過一個存儲在 Java 堆里面的 DirectByteBuffer 對象作為這塊內(nèi)存的引用進行操作拣凹，好處是避免了在 Java 堆和 Native 堆中來回復制數(shù)據(jù)森爽，能在一些場景中提高性能

• 虛擬機參數(shù)設置：-XX:MaxDirectMemorySize

  • 默認等于 Java 堆最大值，即-Xmx指定的值

HotSpot 虛擬機堆中的對象

介紹完 Java 虛擬機的運行時數(shù)據(jù)區(qū)域后嚣镜，我們大致了解的 Java 虛擬機內(nèi)存模型的概況拗秘。這一小節(jié)將介紹 HotSpot 虛擬機在 Java 堆中對象分配、布局和訪問的全過程祈惶。

對象的創(chuàng)建（new）

當虛擬機遇到 new 指令時：

1. 檢查這個指令的參數(shù)是否能在常量池中定位到一個類的符號引用雕旨，并檢查這個符號引用代表的類是否已經(jīng)被加載、解析和初始化過捧请。如果沒有凡涩，則先把這個類加載進內(nèi)存
2. 類加載檢查通過后，虛擬機將為這個新的對象分配內(nèi)存疹蛉，內(nèi)存的大小在類加載完成后確定
3. 在 Java 堆中為新對象分配可用內(nèi)存
4. 內(nèi)存分配完成后活箕，虛擬機將分配到的內(nèi)存空間都初始化為零值
5. 虛擬機設置對象頭中的數(shù)據(jù)
6. 此時，從虛擬機的角度看可款，對象已經(jīng)創(chuàng)建好了育韩，但從 Java 程序角度看，對象創(chuàng)建才剛剛開始闺鲸，構造函數(shù)還沒有執(zhí)行

第 3 步中筋讨，為對象分配可用內(nèi)存時，會涉及兩個問題：

  1. 內(nèi)存分配方式
     - 指針碰撞（Java 堆中的內(nèi)存是絕對規(guī)整的）
       - 所有被使用過的內(nèi)存放在一邊摸恍，沒有被使用過的內(nèi)存放在另一邊悉罕，中間放一個指針赤屋，作為分界點的指示器，那所分配的內(nèi)存就僅僅是把那個指針向空閑內(nèi)存空間方向挪一段與對象大小相等的距離
     - 空閑列表（Java 堆中被使用的內(nèi)存和空閑內(nèi)存相互交錯在一起）
       - Java 虛擬機需要維護一個列表壁袄，記錄上哪些內(nèi)存塊是可用的类早，在分配的時候從列表中找一塊大小足夠大的空間劃分給對象實例
  2. 在并發(fā)情況下虛擬機創(chuàng)建對象也并不是線程安全的，可能出現(xiàn)正在給對象 A 分配內(nèi)存嗜逻，指針還沒來得及修改涩僻，對象 B 又同時使用了原來的指針來分配內(nèi)存的情況
     - 對分配內(nèi)存空間的動作進行同步處理（ 采用 CAS 配上失敗重試的方式保證更新操作的原子性 ）
     - 把內(nèi)存分配的動作按照線程劃分在不同的空間中進行（每個線程在 Java 堆中預先分配一塊小內(nèi)存（這個小內(nèi)存稱為**本地線程分配緩沖區(qū)**），哪個線程要分配內(nèi)存栈顷，就在哪個線程的本地線程分配緩沖區(qū)中分配逆日，只有這個本地線程分配緩沖區(qū)分配完了，分配新的本地線程分配緩沖區(qū)才需要同步鎖定）
       - 虛擬機參數(shù)設置：`-XX:+/-UseTLAB`

對象的內(nèi)存布局

在 HotSpot 虛擬機中妨蛹，對象在堆內(nèi)存中的存儲布局分為三部分：

• 對象頭（包括兩類信息）
  • 用于存儲對象自身的運行時數(shù)據(jù)屏富，如 HashCode、GC 分代年齡蛙卤、鎖狀態(tài)標志狠半、線程持有的鎖、偏向線程 ID颤难、偏向時間戳等
  • 類型指針神年，即對象指向它的類型元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機通過這個指針來確定該對象是哪個類的實例行嗤。
• 實例數(shù)據(jù)（存儲我們在程序代碼中定義的各種類型的字段內(nèi)容）
  • 這部分數(shù)據(jù)受到虛擬機分配策略參數(shù)（-XX:FieldsAllocationStyle）和字段在代碼中定義順序的影響
• 對齊填充（沒有實際意義已日，起到占位符的作用）

對象的訪問定位

我們創(chuàng)建對象之后自然是要使用對象，Java 程序會通過棧上的 reference 數(shù)據(jù)來操作堆上的具體對象（reference 是一個指向對象的引用）栅屏。

主流的對象訪問方式有兩種：

• 通過句柄訪問（reference 中存儲的是穩(wěn)定的句柄地址飘千，在對象被移動的時候只會改變句柄中的實例數(shù)據(jù)指針，而 reference 本身不需要被修改）

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• 通過直接指針訪問（速度快得一批栈雳，節(jié)省了一次指針定位的時間開銷）

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本文小結

本文從概念上介紹了 Java 虛擬機內(nèi)存的各個區(qū)域以及這些區(qū)域的作用护奈、服務對象和其中可能出現(xiàn)的異常等，還介紹了虛擬機創(chuàng)建對象（new）的過程哥纫、對象的內(nèi)存布局和如何訪問對象霉旗。