0. 前言
JVM筆記系列伞剑，以JDK1.7為基準分歇，主要以《深入理解Java虛擬機》(第二版)和《Java虛擬機規(guī)范（Java SE 7版）》 為參考俗他，主要包括下圖所示的五部分內(nèi)容：1.類加載脐区，2.內(nèi)存區(qū)域块促，3.垃圾回收佃牛，4.JVM參數(shù)淹辞，5.JVM監(jiān)控工具。
本人是Java程序員俘侠，重點關注這些有助于優(yōu)化開發(fā)桑涎、性能調(diào)優(yōu)、問題解決等這些和具體生產(chǎn)密切相關的部分兼贡；關于Class的文件結構攻冷、編譯、指令等部分遍希，可以閱讀上述書籍或其它材料等曼。
本文主要記錄JVM內(nèi)存區(qū)域結構的相關知識，本文的主要知識點如下：
1. JVM內(nèi)存區(qū)域結構
JVM定義了若干程序運行期使用到的數(shù)據(jù)區(qū)，其中一些隨著JVM進程啟動而創(chuàng)建禁谦，隨著JVM退出而銷毀胁黑；另一些則是與線程一一對應，隨著線程的啟動和結束而建立和銷毀州泊。JVM的運行時數(shù)據(jù)區(qū)分為5個部分丧蘸，如下圖所示，分別是程序計數(shù)器遥皂、Java棧力喷、Native方法棧、堆演训、方法區(qū)弟孟。
1.1 程序計數(shù)器（Program Counter）
- 程序計數(shù)器占用非常小的內(nèi)存，指向下一條指令的地址样悟。
- 每個線程擁有一個程序計數(shù)器拂募。
- 程序計數(shù)器在線程創(chuàng)建時創(chuàng)建。
- 如果是Java方法窟她，程序計數(shù)器指向字節(jié)碼指令的地址陈症。
- 如果是Native方法，程序計數(shù)器值則為空（Undefined）震糖。
- 程序計數(shù)器不會出現(xiàn)OutOfMemoryError爬凑。
1.2 Java棧
- Java棧是線程私有的，生命周期和線程相同试伙。
- 棧是由一系列棧幀組成的。
- 每個棧幀用于存儲局部變量表于样、操作數(shù)棧疏叨、動態(tài)鏈接、方法出口等信息穿剖。
- 每一個方法被調(diào)用到執(zhí)行完成的過程蚤蔓，就是一個棧幀在JVM從入棧到出棧的過程。
JVM規(guī)范中描述糊余，Java椥阌郑可能會出現(xiàn)兩種異常。
- StackOverflowError：線程請求的棧深大于虛擬機所允許的深度（例如無限遞歸）贬芥。
- OutOfMemoryError：虛擬機椡抡蓿可以動態(tài)擴展，如果擴展無法申請足夠的內(nèi)存時蘸劈，就會報出昏苏。
1.3 Native方法棧
本地方法棧和Java棧是非常相似的，Java棧是為了執(zhí)行Java方法服務，本地方法棧是為了執(zhí)行Native方法使用贤惯。在HotSpot虛擬機中洼专，Java棧和本地方法棧合二為一。
1.4 堆（Heap）
- Java堆是JVM所管理的內(nèi)存中最大的一塊孵构，生命周期和JVM進程相同屁商。
- 用于存放對象實例，幾乎所有的對象都在Heap上颈墅。
- Java堆是所有線程共享的空間蜡镶。
從垃圾回收的角度來說，Java堆分為新生代和老生代精盅，其中新生代還分為Eden帽哑、From Survivor(S0)、To Survivor(S1)三部分叹俏，如下圖所示妻枕。
默認參數(shù)下，新生代：老生代 = 1：2粘驰，Eden：Survivor = 8：1屡谐。Java堆中最大可用內(nèi)存 = 老生代+ Eden + Survivor*1，即S0和S1永遠有一個處于閑置的狀態(tài)蝌数，GC的時JVM候會把其中一個Survivor中存活的對象復制到另一個Survivor中愕掏。
- Eden區(qū)是Java實例對象優(yōu)先分配的區(qū)域，如果Eden沒有足夠的空間顶伞，將會執(zhí)行一次Minor GC饵撑。
- 經(jīng)過Minor GC后，Eden+S0(或者S1)中還存活的對象將會轉移到S1中唆貌，然后S0會被清空滑潘。
- Survivor中放不下的、存活次數(shù)超過一定數(shù)目的對象锨咙，會被轉移到老年代(Old)空間语卤，大對象也可能會直接分配到老年代(Old)空間。
- 當老年代(Old)空間不夠時酪刀，將會發(fā)生Major GC粹舵。
- 如果垃圾回收后，仍然沒有足夠的空間骂倘，那么將會拋出OutOfMemoryError眼滤。
1.5 方法區(qū)
- 方法區(qū)是線程共享的空間，生命周期和JVM進程相同历涝。
- 方法區(qū)用于存儲類的信息柠偶、常量池情妖、字段和方法數(shù)據(jù)、字節(jié)碼內(nèi)容等诱担。
在我們常用的HotSpot虛擬機中毡证，JDK1.7之前，使用PermGen(永久代)來實現(xiàn)方法區(qū)蔫仙；在JDK1.8中完全移除了PermGen料睛，改用Metaspace(元空間)來實現(xiàn)方法區(qū)。
其實摇邦，移除PermGen的工作從JDK1.7就開始了恤煞，符號引用(Symbols)、字面量(interned strings)施籍、類的靜態(tài)變量(class statics)在1.7中都轉移到了Heap中居扒，這大大減少了PermGen拋出OutOfMemoryError的機會。
Metaspace使用的是本地內(nèi)存丑慎，而非JVM內(nèi)存喜喂；因此Metaspace的大小限制，受限于物理內(nèi)存的的限制竿裂；當然它是可以通過參數(shù)-XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize 來指定的玉吁。
方法區(qū)的空間不夠用了，將會拋出OutOfMemoryError腻异。
關于方法區(qū)进副，運行時常量池特別值得一提，運行時常量池中的常量悔常，基本來源于各個class文件中的常量池影斑；程序運行時，除非手動向常量池中添加常量(比如調(diào)用String.intern方法)机打，否則jvm不會自動添加常量到常量池矫户。
1.6 直接內(nèi)存(Direct Memory)
直接內(nèi)存并不是JVM運行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，屬于堆外（off-heap）內(nèi)存姐帚，也不是JVM規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域。JDK1.4新增了NIO包障涯，引入了一種基于Channel和Buffer的IO方式罐旗，可以使用Native方法直接分配堆外內(nèi)存，然后通過存儲在Java堆中的DirectByteBuffer對象作為這塊內(nèi)存的引用進行操作唯蝶。
//見 java.nio.ByteBuffer
public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
return new DirectByteBuffer(capacity);
}
// native方法九秀，見sun.misc.Unsafe類
public native long allocateMemory(long var1);
使用堆外內(nèi)存，可以擴展使用更大的內(nèi)存空間粘我，理論上能減少GC的暫停時間鼓蜒，還可以在進程間共享（MappedByteBuffer和FileChannel）痹换。
Direct Memory默認的大小是等同于JVM最大堆，我們可以通過-XX:MaxDirectMemorySize參數(shù)來控制其大小都弹。
如果直接內(nèi)存空間不夠用了娇豫，將會拋出OutOfMemoryError。
2. 對象的創(chuàng)建和訪問過程
2.1 對象的創(chuàng)建過程
類加載檢測畅厢。當new對象的時候冯痢，將會檢查能否在常量池中定位到一個類的符號引用，并檢查這個類是否被加載框杜、解析和初始化浦楣，如果沒有，則執(zhí)行相應的類加載過程咪辱。
類加載檢查通過后振劳，JVM將會為新生的對象分配內(nèi)存。如果Java堆內(nèi)存是規(guī)整的油狂，內(nèi)存分配采用“指針碰撞”方式历恐；如果內(nèi)存不是規(guī)整的，則采用“空閑列表”的方式选调。Java堆內(nèi)存是否規(guī)整夹供，取決于使用的垃圾回收器是否帶有壓縮整理的功能。因此仁堪，在使用Serial哮洽、ParNew等帶Compact過程的收集器時，系統(tǒng)采用的分配算法是指針碰撞弦聂，而使用CMS這種基于Mark-Sweep算法的收集器時鸟辅，通常采用空閑列表。給對象分配內(nèi)線的過程莺葫，是指針移動的過程匪凉，它不是線程安全的，需要同步捺檬；為了解決這個問題再层，JVM給每個線程在Java堆中預先分配一塊內(nèi)存，稱為本地線程分配緩沖（Thread Local Allocation Buffer,TLAB）堡纬，這樣以來聂受，只有緩沖區(qū)用完了，重新分配時才需要同步操作烤镐。
對象內(nèi)存分配完畢之后蛋济，JVM把分配的內(nèi)存空間都初始化為零值。
JVM對對象做必要的設置炮叶。例如對象是哪個類的實例碗旅、如何找到類的元數(shù)據(jù)渡处、對象的哈希碼、對象的GC分代年齡等祟辟，這些信息存放在對象頭（Object Header）中医瘫。
至此，在JVM看來對象創(chuàng)建完成川尖；接下來執(zhí)行<init>方法登下，把對象按照程序員的意愿初始化，形成一個真正可用的對象叮喳。
2.2 對象的內(nèi)存布局
對象在堆中的布局分為三個區(qū)域：對象頭被芳，實例數(shù)據(jù)，對齊填充馍悟。
對象頭 包括兩個部分畔濒，第一部分是“Mark Word”，用于存儲對象自身的運行時數(shù)據(jù)锣咒，包括HashCode侵状、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標志毅整、線程持有的鎖趣兄、偏向ID、偏向時間戳等悼嫉；第二部分是類型指針艇潭，指向存放指向方法區(qū)的類數(shù)據(jù)，即JVM通過這個指針來確定對象是哪個類的實例戏蔑。
實例數(shù)據(jù) 存放類的屬性蹋凝，包括父類的屬性信息。相同寬度的字段（例如long和double都是8字節(jié)）分配在一起总棵。
對齊填充 這是虛擬機要求對象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍鳍寂，如果實例數(shù)據(jù)部分不是8字節(jié)的整數(shù)倍，那么就需要對齊填充來補齊情龄，除此之外迄汛，并無它意。
2.3 對象的訪問定位
引用存放在Java棧上骤视，數(shù)據(jù)類型為reference鞍爱；對象存放在Java堆中，引用是如何指向對象實例呢尚胞？
目前主流的訪問方式有兩種硬霍，1.使用句柄帜慢；2.使用直接指針笼裳。
如果使用句柄訪問唯卖，那么Java堆中將會分出一塊內(nèi)存作為句柄池，reference中存儲的就是對象的句柄地址躬柬，句柄中包含了對象實例數(shù)據(jù)和類型數(shù)據(jù)的具體地址拜轨。句柄的好處在于，當對象被移動時（垃圾回收時發(fā)生）允青，只會改變句柄中的實例數(shù)據(jù)指針橄碾，reference本身不需要修改。
如果使用直接指針訪問颠锉，reference引用直接指向堆中的對象實例法牲，對象實例的對象頭存放對象類型指針，這種方式的好處在于琼掠，減少了一次指針定位的開銷拒垃，訪問速度更快。
HotSpot虛擬機中使用的是直接指針訪問的方式瓷蛙。
（完）
