摘要：運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域虛擬機(jī)在執(zhí)行程序的過(guò)程中會(huì)把它管理的內(nèi)存劃分成若干個(gè)不同的數(shù)據(jù)區(qū)域。堆虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊，堆是所有線(xiàn)程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建。

《深入理解Java虛擬機(jī)：JVM高級(jí)特性與最佳實(shí)踐（第二版》讀書(shū)筆記

對(duì)于Java程序員來(lái)說(shuō)，在虛擬機(jī)自動(dòng)內(nèi)存管理機(jī)制下，不再需要像C/C++程序開(kāi)發(fā)程序員這樣為內(nèi)一個(gè)new 操作去寫(xiě)對(duì)應(yīng)的delete/free操作，不容易出現(xiàn)內(nèi)存泄漏和內(nèi)存溢出問(wèn)題。正是因?yàn)镴ava程序員把內(nèi)存控制權(quán)利交給Java虛擬機(jī)，一旦出現(xiàn)內(nèi)存泄漏和溢出方面的問(wèn)題，如果不了解虛擬機(jī)是怎樣使用內(nèi)存的，那么排查錯(cuò)誤將會(huì)是一個(gè)非常艱巨的任務(wù)。

Java虛擬機(jī)在執(zhí)行Java程序的過(guò)程中會(huì)把它管理的內(nèi)存劃分成若干個(gè)不同的數(shù)據(jù)區(qū)域。

程序計(jì)數(shù)器是一塊較小的內(nèi)存空間，可以看作是當(dāng)前線(xiàn)程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器。字節(jié)碼解釋器工作時(shí)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，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線(xiàn)程恢復(fù)等功能都需要依賴(lài)這個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)完。

另外，為了線(xiàn)程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每條線(xiàn)程都需要有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，各線(xiàn)程之間計(jì)數(shù)器互不影響，獨(dú)立存儲(chǔ)，我們稱(chēng)這類(lèi)內(nèi)存區(qū)域?yàn)椤熬€(xiàn)程私有”的內(nèi)存。

與程序計(jì)數(shù)器一樣，Java虛擬機(jī)棧也是線(xiàn)程私有的，它的生命周期和線(xiàn)程相同，描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型。

Java內(nèi)存可以粗糙的區(qū)分為堆內(nèi)存（Heap）和棧內(nèi)存(Stack),其中棧就是現(xiàn)在說(shuō)的虛擬機(jī)棧，或者說(shuō)是虛擬機(jī)棧中局部變量表部分。

局部變量表主要存放了編譯器可知的各種數(shù)據(jù)類(lèi)型、對(duì)象引用。

和虛擬機(jī)棧所發(fā)揮的作用非常相似，區(qū)別是： 虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行Java方法 （也就是字節(jié)碼）服務(wù)，而本地方法棧則為虛擬機(jī)使用到的Native方法服務(wù)。

Java虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊，Java堆是所有線(xiàn)程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建。此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對(duì)象實(shí)例，幾乎所有的對(duì)象實(shí)例以及數(shù)組都在這里分配內(nèi)存。
Java堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此也被稱(chēng)作GC堆（Garbage Collected Heap）.從垃圾回收的角度，由于現(xiàn)在收集器基本都采用分代垃圾收集算法，所以Java堆還可以細(xì)分為：新生代和老年代：在細(xì)致一點(diǎn)有：Eden空間、From Survivor、To Survivor空間等。進(jìn)一步劃分的目的是更好地回收內(nèi)存，或者更快地分配內(nèi)存。

方法區(qū)與Java堆一樣，是各個(gè)線(xiàn)程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存儲(chǔ)已被虛擬機(jī)加載的類(lèi)信息、常量、靜態(tài)變量、即使編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。

HotSpot虛擬機(jī)中方法區(qū)也常被稱(chēng)為 “永久代”，本質(zhì)上兩者并不等價(jià)。僅僅是因?yàn)镠otSpot虛擬機(jī)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)用永久代來(lái)實(shí)現(xiàn)方法區(qū)而已，這樣HotSpot虛擬機(jī)的垃圾收集器就可以像管理Java堆一樣管理這部分內(nèi)存了。但是這并不是一個(gè)好主意，因?yàn)檫@樣更容易遇到內(nèi)存溢出問(wèn)題。
相對(duì)而言，垃圾收集行為在這個(gè)區(qū)域是比較出現(xiàn)的，但并非數(shù)據(jù)進(jìn)入方法區(qū)后就“永久存在”了。

運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分。Class文件中除了有類(lèi)的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有常量池信息（用于存放編譯期生成的各種字面量和符號(hào)引用）

直接內(nèi)存并不是虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，也不是虛擬機(jī)規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域，但是這部分內(nèi)存也被頻繁地使用。而且也可能導(dǎo)致OutOfMemoryError異常出現(xiàn)。

JDK1.4中新加入的NIO(New Input/Output)類(lèi)，引入了一種基于通道（Channel） 與緩存區(qū)（Buffer） 的I/O方式，它可以直接使用Native函數(shù)庫(kù)直接分配堆外內(nèi)存，然后通過(guò)一個(gè)存儲(chǔ)在java堆中的DirectByteBuffer對(duì)象作為這塊內(nèi)存的引用進(jìn)行操作。這樣就能在一些場(chǎng)景中顯著提高性能，因?yàn)?strong>避免了在Java堆和Native堆之間來(lái)回復(fù)制數(shù)據(jù)。

本機(jī)直接內(nèi)存的分配不會(huì)收到Java堆的限制，但是，既然是內(nèi)存就會(huì)受到本機(jī)總內(nèi)存大小以及處理器尋址空間的限制。

通過(guò)上面的介紹我們大概知道了虛擬機(jī)的內(nèi)存情況，下面我們來(lái)詳細(xì)的了解一下HotSpot虛擬機(jī)在Java堆中對(duì)象分配、布局和訪(fǎng)問(wèn)的全過(guò)程。

虛擬機(jī)遇到一條new指令時(shí)，首先將去檢查這個(gè)指令的參數(shù)是否能在常量池中定位到這個(gè)類(lèi)的符號(hào)引用，并且檢查這個(gè)符號(hào)引用代表的類(lèi)是否已被加載過(guò)、解析和初始化過(guò)。如果沒(méi)有，那必須先執(zhí)行相應(yīng)的類(lèi)加載過(guò)程。

在類(lèi)加載檢查通過(guò)后，接下來(lái)虛擬機(jī)將為新生對(duì)象分配內(nèi)存。對(duì)象所需的內(nèi)存大小在類(lèi)加載完成后便可確定，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Java堆中劃分出來(lái)。分配方式有 “指針碰撞” 和 “空閑列表” 兩種，選擇那種分配方式由Java堆是否規(guī)整決定，而Java堆是否規(guī)整又由所采用的垃圾收集器是否帶有壓縮整理功能決定。

虛擬機(jī)采用CAS配上失敗重試的方式保證更新操作的原子性。

接下來(lái)，虛擬機(jī)要對(duì)對(duì)象進(jìn)行必要的設(shè)置，例如這個(gè)對(duì)象是那個(gè)類(lèi)的實(shí)例、如何才能找到類(lèi)的元數(shù)據(jù)信息、對(duì)象的哈希嗎、對(duì)象的GC分代年齡等信息。這些信息存放在對(duì)象頭中，根據(jù)虛擬機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的不同，如是否啟用偏向鎖等，對(duì)象頭會(huì)與不同的設(shè)置方式。
new指令執(zhí)行完后，再按照程序員的意愿執(zhí)行init方法后一個(gè)真正可用的對(duì)象才誕生。

在Hotspot虛擬機(jī)中，對(duì)象在內(nèi)存中的布局可以分為3快區(qū)域：對(duì)象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)和對(duì)齊填充。

Hotspot虛擬機(jī)的對(duì)象頭包括兩部分信息，第一部分用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的自身運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)（哈希嗎、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志等等），另一部分是類(lèi)型指針，即對(duì)象指向它的類(lèi)元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機(jī)通過(guò)這個(gè)指針來(lái)確定這個(gè)對(duì)象是那個(gè)類(lèi)的實(shí)例。

實(shí)例數(shù)據(jù)部分是對(duì)象真正存儲(chǔ)的有效信息，也是在程序中所定義的各種類(lèi)型的字段內(nèi)容。

對(duì)齊填充部分不是必然存在的，也沒(méi)有什么特別的含義，僅僅起占位作用。 因?yàn)镠otspot虛擬機(jī)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，換句話(huà)說(shuō)就是對(duì)象的大小必須是8字節(jié)的整數(shù)倍。而對(duì)象頭部分正好是8字節(jié)的倍數(shù)（1倍或2倍），因此，當(dāng)對(duì)象實(shí)例數(shù)據(jù)部分沒(méi)有對(duì)齊時(shí)，就需要通過(guò)對(duì)齊填充來(lái)補(bǔ)全。

建立對(duì)象就是為了使用對(duì)象，我們的Java程序通過(guò)棧上的reference數(shù)據(jù)來(lái)操作堆上的具體對(duì)象。對(duì)象的訪(fǎng)問(wèn)方式有虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)而定，目前主流的訪(fǎng)問(wèn)方式有①使用句柄和②直接指針兩種：

如果使用句柄的話(huà)，那么Java堆中將會(huì)劃分出一塊內(nèi)存來(lái)作為句柄池，reference中存儲(chǔ)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(lèi)型數(shù)據(jù)各自的具體地址信息；

如果使用直接指針訪(fǎng)問(wèn)，那么Java堆對(duì)像的布局中就必須考慮如何防止訪(fǎng)問(wèn)類(lèi)型數(shù)據(jù)的相關(guān)信息，reference中存儲(chǔ)的直接就是對(duì)象的地址。

這兩種對(duì)象訪(fǎng)問(wèn)方式各有優(yōu)勢(shì)。使用句柄來(lái)訪(fǎng)問(wèn)的最大好處是reference中存儲(chǔ)的是穩(wěn)定的句柄地址，在對(duì)象被移動(dòng)時(shí)只會(huì)改變句柄中的實(shí)例數(shù)據(jù)指針，而reference本身不需要修改。使用直接指針訪(fǎng)問(wèn)方式最大的好處就是速度快，它節(jié)省了一次指針定位的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。

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