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運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域

程序技術(shù)器

• 程序計(jì)數(shù)器(Program Counter Register)是一塊較小的內(nèi)存空間刑顺，它可以看作是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器
• 在虛擬機(jī)的概念模型里，字節(jié)碼解釋器工作時(shí)就是通過(guò)改變這個(gè)計(jì)數(shù)器的值來(lái)選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令远剩，分支、循環(huán)痴腌、跳轉(zhuǎn)焰坪、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)完成
• 為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置阁猜，每條線程都需要有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器丸逸，各條線程之間計(jì)數(shù)器互不影響，獨(dú)立儲(chǔ)存剃袍，我們稱這類內(nèi)存區(qū)域?yàn)椤熬€程私有”的內(nèi)存
• 如果線程正在執(zhí)行的是一個(gè)Java方法黄刚，這個(gè)計(jì)數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址
• 如果正在執(zhí)行的是Native方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器值則為空(Undefined)
• 此內(nèi)存區(qū)域是唯一一個(gè)在Java虛擬機(jī)規(guī)范中沒(méi)有規(guī)定任何OutOfMemoryError情況的區(qū)域

Java虛擬機(jī)棧

• Java虛擬機(jī)棧(Java Virtual Machines Stacks)也是線程私有的民效，它的生命周期與線程相同
• Java虛擬機(jī)棧描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個(gè)方法在執(zhí)行的同時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀(Stack Frame)用于儲(chǔ)存局部變量表憔维、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接畏邢、方法出口等信息埋同。每一個(gè)方法從調(diào)用直至執(zhí)行完成的過(guò)程，就對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧中入棧到出棧的過(guò)程
• 經(jīng)常有人將Java內(nèi)存區(qū)分為堆內(nèi)存(Heap)和棧內(nèi)存(Stack)棵红，實(shí)際上遠(yuǎn)比這復(fù)雜凶赁，只不過(guò)大多數(shù)程序員最關(guān)注這兩部分，其中的棧就是這里的虛擬機(jī)棧逆甜，或者說(shuō)是虛擬機(jī)棧中的局部變量表部分
• 局部變量表存放了編譯器可知的各種基本數(shù)據(jù)類型虱肄、對(duì)象引用(reference類型)和returnAddress類型(指向了一條字節(jié)碼指令的地址)
• 局部變量表所需的內(nèi)存空間在編譯器完成分配，當(dāng)進(jìn)入一個(gè)方法時(shí)交煞，這個(gè)方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的咏窿，在方法運(yùn)行期間不會(huì)改變局部變量表的大小
• Java虛擬機(jī)規(guī)范中對(duì)這個(gè)區(qū)域規(guī)定了兩種異常狀況：
  • 如果線程請(qǐng)求棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常
  • 如果虛擬機(jī)可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展素征，如果擴(kuò)展時(shí)無(wú)法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存集嵌，就會(huì)拋出OutOfMemoryError異常

本地方法棧

• 本地方法棧(Native Method Stack)與虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，它們之間的區(qū)別不過(guò)是虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行Java方法服務(wù)御毅，而本地方法棧則為虛擬機(jī)使用到的Native方法服務(wù)
• 與虛擬機(jī)棧一樣根欧，本地方法棧也會(huì)拋出StackOverflowError和OutOdMemoryError異常

Java堆

• 對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，Java堆(Java Heap)是Java虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊
• Java堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域端蛆，在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建
• 此內(nèi)存的唯一目的就是存放對(duì)象實(shí)例凤粗，幾乎所有的對(duì)象實(shí)例都在這里分配內(nèi)存
• Java堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此很多時(shí)候也被稱為“GC堆”(Garbage Collected Heap)
• Java堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中今豆，只要邏輯上是連續(xù)的即可
• 如果在堆中沒(méi)有內(nèi)存完成實(shí)例分配嫌拣，并且堆也無(wú)法擴(kuò)展時(shí)柔袁，將會(huì)拋出OutOfMemoryError異常

方法區(qū)

• 方法區(qū)(Method Area)與Java堆一樣，是各個(gè)線程共享的內(nèi)存區(qū)域异逐，它用于儲(chǔ)存已被虛擬機(jī)加載的類信息捶索、常量、靜態(tài)變量灰瞻、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)
• 當(dāng)方法區(qū)無(wú)法滿足內(nèi)存分配需求時(shí)情组，將拋出OutOfMemoryError異常

運(yùn)行時(shí)常量池

• 運(yùn)行時(shí)常量池(Runtime Constant Pool)是方法區(qū)的一部分，存放編譯期生成的各種字面量和符號(hào)引用
• 運(yùn)行時(shí)常量池相對(duì)于Class文件常量池的另一個(gè)重要特征是具備動(dòng)態(tài)性箩祥，Java語(yǔ)言并不要求常量一定只有編譯期才能產(chǎn)生院崇，也就是并非預(yù)置于Class文件中常量池的內(nèi)容才能進(jìn)入方法區(qū)運(yùn)行時(shí)常量池，運(yùn)行期間也可能將新的常量放入池中袍祖，這種特性被利用較多的是String類的intern()方法
• 當(dāng)常量池?zé)o法再申請(qǐng)到內(nèi)存時(shí)會(huì)拋出OutOfMemoryError異常

直接內(nèi)存

• 直接內(nèi)存(Direct Memory)并不是虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的一部分底瓣，也不是Java虛擬機(jī)規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域，但是這部分內(nèi)存被頻繁使用蕉陋，也有可能導(dǎo)致OutOfMemoryError異常
• NIO(New Input/Output)類引入了一種基于通道(Channel)與緩沖區(qū)(Buffer)的I/O方式捐凭，它可以用Native函數(shù)庫(kù)直接分配堆外內(nèi)存，然后通過(guò)一個(gè)儲(chǔ)存在Java堆中的DirectByteBuffer對(duì)象作為這塊內(nèi)存的引用進(jìn)行操作凳鬓，這樣能在一些場(chǎng)景中顯著提高性能茁肠，因?yàn)楸苊饬嗽贘ava堆和Native堆中來(lái)回復(fù)制數(shù)據(jù)

HotSpot虛擬機(jī)

對(duì)象的創(chuàng)建

• 首先將去檢查這個(gè)指令的參數(shù)能否在常量池中定位到一個(gè)類的符號(hào)引用，并且檢查這個(gè)符號(hào)引用代表的類是否已被加載缩举、解析和初始化過(guò)垦梆。如果沒(méi)有，那必須先執(zhí)行相應(yīng)的類加載過(guò)程
• 接下來(lái)虛擬機(jī)將為新生對(duì)象分配內(nèi)存仅孩。對(duì)象所需內(nèi)存的大小在類加載完成后便可確定托猩，為對(duì)象分配空間的任務(wù)等同于把一塊確定大小的內(nèi)存從堆中劃分出來(lái)
  • 如果堆是絕對(duì)規(guī)整的，虛擬機(jī)使用一個(gè)指針劃分使用過(guò)的和沒(méi)使用過(guò)的內(nèi)存辽慕，這種方式稱為“指針碰撞”(Bump the Pointer)
  • 如果堆的內(nèi)存不是規(guī)整的京腥，虛擬機(jī)就必須維護(hù)一個(gè)列表，記錄那些內(nèi)存塊是可用的溅蛉，分配時(shí)從列表中找到一塊足夠大的空間劃分給對(duì)象公浪，并更新列表上的記錄，這種方式稱為“空閑列表”(Free List)
  • 解決創(chuàng)建對(duì)象時(shí)并發(fā)情況下線程安全問(wèn)題：
    • 一種是對(duì)分配內(nèi)存空間的動(dòng)作進(jìn)行同步處理
    • 另一種是把內(nèi)存分配的動(dòng)作按照線程劃分在不同的空間之中進(jìn)行船侧，即每個(gè)內(nèi)存在Java堆中預(yù)先分配一小塊內(nèi)存欠气，稱為本地線程分配緩沖(Thread Local Allocation Buffer，TLAB)勺爱。哪個(gè)線程要分配內(nèi)存晃琳，就在哪個(gè)線程的TLAB上分配，只有TLAB用完并且分配新的TLAB時(shí)琐鲁，才需要同步鎖定
• 內(nèi)存分配完成后卫旱，虛擬機(jī)需要將分配到的內(nèi)存空間都初始化為零值(不包括對(duì)象頭)，如果使用TLAB围段，這一工作過(guò)程也可以提前至TLAB分配時(shí)進(jìn)行顾翼，這一步保證了對(duì)象的實(shí)例字段在Java代碼中可以不賦初始值直接使用，程序能訪問(wèn)到這些字段的數(shù)據(jù)類型所對(duì)應(yīng)的零值
• 接下來(lái)奈泪，虛擬機(jī)要對(duì)對(duì)象進(jìn)行必要的設(shè)置适贸。例如這個(gè)對(duì)象是哪個(gè)類的實(shí)例、如何才能找到類的元數(shù)據(jù)信息涝桅、對(duì)象的哈希碼拜姿、對(duì)象的GC分代年齡等信息。這些信息存放在對(duì)象的對(duì)象頭(Object Header)中
• 以上工作完成后冯遂，從虛擬機(jī)的角度來(lái)看對(duì)象已經(jīng)創(chuàng)建完成蕊肥，姐先來(lái)將執(zhí)行init方法

對(duì)象的內(nèi)存布局

• 對(duì)象在內(nèi)存中儲(chǔ)存的布局可以分為三塊區(qū)域：對(duì)象頭(Header)、實(shí)例數(shù)據(jù)(Instance Data)和對(duì)象填充(Padding)
• 對(duì)象頭包括兩部分信息：
  • 第一部分用于儲(chǔ)存對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)蛤肌，如哈希碼(HashCode)壁却、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志裸准、線程持有的鎖展东、偏向線程ID、偏向時(shí)間戳等
  • 另一部分是類型指針炒俱，即對(duì)象指向它的類元數(shù)據(jù)的指針盐肃，虛擬機(jī)通過(guò)這個(gè)指針來(lái)確定這個(gè)對(duì)象是哪個(gè)類的實(shí)例。另外权悟，如果對(duì)象是一個(gè)Java數(shù)組恼蓬，那在對(duì)象頭中還必須有一塊用于記錄數(shù)組長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)
• 實(shí)例數(shù)據(jù)部分是對(duì)象真正儲(chǔ)存的有效信息，也是在程序代碼中所定義的各種類型的字段內(nèi)容僵芹。這部分儲(chǔ)存順序會(huì)受到虛擬機(jī)分配策略參數(shù)(FieldsAllocationStyle)和字段在Java源碼中定義順序的影響
• 第三部分對(duì)其填充不是必須存在的处硬，也沒(méi)有特別的含義，它僅僅起著占位符的作用拇派，因?yàn)镠otSpot VM的自動(dòng)內(nèi)存管理系統(tǒng)要求對(duì)象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍荷辕，即對(duì)象的大小必須是8字節(jié)的整數(shù)倍

對(duì)象的訪問(wèn)定位

• Java程序需要通過(guò)棧上的reference數(shù)據(jù)來(lái)操作堆上的具體對(duì)象
• 對(duì)象訪問(wèn)方式是取決于虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)而定的，目前主流的訪問(wèn)方式有使用句柄和直接指針兩種
  • 如果使用句柄訪問(wèn)的話件豌，Java堆中將會(huì)劃分出一塊內(nèi)存來(lái)作為句柄池疮方，reference中儲(chǔ)存的就是對(duì)象的句柄地址，而句柄中包含了對(duì)象實(shí)例數(shù)據(jù)與類型數(shù)據(jù)各自的具體地址信息
  • 如果使用直接指針訪問(wèn)茧彤，那么Java堆對(duì)象的布局中就必須考慮如何放置訪問(wèn)類型數(shù)據(jù)的相關(guān)信息骡显，而reference對(duì)象中儲(chǔ)存的直接就是對(duì)象地址
• 這兩種方式各有優(yōu)劣
  • 使用句柄來(lái)訪問(wèn)的最大好處就是reference中儲(chǔ)存的是穩(wěn)定的句柄地址，在對(duì)象被移動(dòng)(垃圾收集時(shí)移動(dòng)對(duì)象是非常普遍的行為)時(shí)只會(huì)改變句柄中的實(shí)例數(shù)據(jù)指針，而reference本身不會(huì)改變
  • 使用直接指針訪問(wèn)方式的最大好處就是速度更快惫谤，它節(jié)省了一次指針定位的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)