JVM内存管理机制
作者：黄俊彬，
来源：http://huangjunbin.com
Java与C++之间有一堆由内存动态分配与垃圾收集技术所围成的“高墙”，墙外面的人想进去，墙里面的人却想出来。 —— 《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》
Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途。以及创建和销毁的时间。有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。
程序计数器
程序计数器只占用了一块比较小的内存空间。
可以看作是当前线程所执行的字节码文件（class）的行号指示器。在虚拟机的世界中，字节码解析器就是通过改变计数器的值来选取下一条执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等，都需要通过程序计数器来实现。
因为处理器在一个确定的时刻只会执行一个线程中的指令，线程切换后，是通过计数器来记录执行痕迹，因而可以看出，程序计数器是每个线程私有的
如果执行的是java方法，那么记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址的地址，如果是native方法，计数器的值为空（undefined）
这个内存区域是唯一一个在java虚拟机规范中没有规定任务OutOfMemoryError的情况区域
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，它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，每个方法都在执行的同时会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
局部变量表
局部变量表是一组变量值的存储空间，用于存放方法参数和局部变量。变量槽（Variable Slot）是局部变量表的最小单位，没有强制规定大小为32位，虽然32位足够存放大部分类型的数据。一个Slot可以方法boolean、byte、char、short、int、float、reference、和returnAddress 8种类型。
其中reference表示对一个对象实例的引用，通过它可以得到对象在java堆中存放的起始地址的索引和该数据所属数据类型的方法区的类型信息。returnAddress则指向一条字节码指令的地址。对于64位的long和double变量而言，虚拟机会为其分配两个连续的slot空间。
虚拟机通过索引定位的方式使用局部变量表。为了节省栈帧空间，局部变量表中的Slot是可以重要的。当离开了某些变量的作用域之后，这些变量对应的Slot就可以交给其他变量使用。
操作数栈
操作数栈也称为操作栈，是一个后入先出的栈。方法执行中进行算术运算或者是调用其他的方法进行参数传递的时候是通过操作数栈进行的。在概念模型中，两个栈帧是相互独立的。但是大多数虚拟机的实现都会进行优化，令两个栈帧出现一部分重叠。令下面的部分操作数栈与上面的局部变量表重叠在一块，这样在方法调用的时候可以共用一部分数据，无需进行额外的参数复制传递
动态链接
每个栈帧都包含一个执行运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态链接
方法返回地址
当一个方法开始执行以后，只有两种方法可以退出当前方法：
当执行遇到返回指令，会将返回值传递给上层的方法调用者，这种退出的方式称为正常完成出口，一般来说，调用者的PC计数器可以作为返回地址
当执行遇到一次，并且当前方法体内没有得到处理，就会导致方法退出，此时没有返回值，称为异常完成出口，返回地址要通过异常处理器表来确定
当方法返回时，可能进行3个操作：
恢复上层方法的局部变量表和操作数栈
把返回值压入调用者调用栈帧的操作数栈
调整PC计数器的值以指向方法调用指令后面的一条指令
本地方法栈
本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间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，而本地的方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。
在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言，使用方式和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（譬如 Sun HotSport虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。
Java堆
对于大多数应用来说，Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域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。
Java堆是垃圾收集管理器的主要区域。因此很多时候也被称做“GC”堆。从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法。所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代：再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、ToSurvivor空间等。
从内存分配的角度来看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私用的分配缓冲区。不过无论如何如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都任然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。
Java堆可以处理物理上不连续的内存空间，只要逻辑上是连续的即可。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMenoryError异常。
方法区
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。
方法区也叫永久代，在过去（自定义类加载器还不是很常见的时候），类大多是”static”的，很少被卸载或收集，因此被称为“永久的(Permanent)”。
虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java 堆区分开来。同时，由于类class是JVM实现的一部分，并不是由应用创建的，所以又被认为是“非堆(non-heap)”内存。
运行时常量池
运行时常量池是方法区的一部分，Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外们还有一项信息是常量池，用于存放编译期生成的各种常量和符合引用，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。
直接内存
直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。在JDK1.4中新加入了MIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道。（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，他可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。
这样能在一些场景中显著提高性能，因此避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。
new 一个对象 发生了什么？
对象创建
Java是一门面向对象的编程语言，在Java程序运行过程中无时无刻都有对象被创建出来，在语言层面只是使用new关键字，而在虚拟机中，对象的创建又是怎样一个过程呢？
1.类加载检查
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合引用，并且检查这个符合引用代表的类是否已被加载、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。
2.对象分配内存
在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定，为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。根据Java堆中的内存是否规整，有2种处理方式：
1，指针碰撞(Bump the pointer)
Java堆中的内存是规整的，所有用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，分配内存也就是把指针向空闲空间那边移动一段与内存大小相等的距离。例如：Serial、ParNew等收集器。
2，空闲列表(Free List)
Java堆中的内存不是规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，就没有办法简单的进行指针碰撞了。虚拟机必须维护一张列表，记录哪些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录。例如：CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器。并发处理：
对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使是仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的，可能出现正在给对象A分配内存，指针还没来得及修改，对象B又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。处理方案有2种：
1，同步处理
对分配内存空间的动作进行同步处理，实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。
2，TLAB
把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。那个线程要分配内存，就在哪个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB时，才需同步锁定。
3.内存空间初始化
虚拟机将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头）,如果使用了TLAB，这一工作过程也可以提前至TLAB分配时进行。
内存空间初始化保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。
4.对象设置
接下来，虚拟机要对对象进行必要的设置，例如这个对象是那个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、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中。
5.执行init()
在上面的工作都完成之后，从虚拟机的角度看，一个新的对象已经产生了。但是从Java程序的角度看，对象的创建才刚刚开始init()方法还没有执行，所有的字段都还是零。
所以，一般来说（由字节码中是否跟随invokespecial指令所决定），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产生出来。
对象内存布局
对象的内存结构又可以被分为：对象头，实例数据，对象填充。
对象头
对象头包括两部分信息：
1，用于存储对象自身的运行时数据， 如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（暂 不考虑开启压缩指针的场景）中分别为32个和64个Bits，官方称它为“Mark Word”。
存储内容标志位状态对象哈希码、对象分代年龄01未锁定指向锁记录的指针00轻量级锁定指向重量级锁的指针10膨胀（重量级锁定）空，不需要记录信息11GC标记偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄01可偏向。
2，类型指针，即是对象指向它的类的元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。
实例数据
对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中定义的各种类型字段内容。无论是从父类继承下来的还是子类定义的，都需要记录下来。
对象填充
没有实际意义，仅仅起着占位符的作用。以为对象的大小必须是8字节的整数倍。
对象访问定位
建立对象是为了使用对象，我们的Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。由于在Java虚拟机规范里面只规定了reference类型是一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过什么种方式去定位、访问到堆中的对象的具体位置，对象访问方式也是取决于虚拟机实现而定的。
主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种：
句柄访问
如果使用句柄访问的话，Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据的具体各自的地址信息。
指针访问对象
使用直接指针访问的话，Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference中存储的直接就是对象地址。
这两种对象访问方式各有优势，使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要被修改。
使用直接指针来访问最大的好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象访问的在Java中非常频繁，因此这类开销积小成多也是一项非常可 观的执行成本。从上一部分讲解的对象内存布局可以看出，就虚拟机HotSpot而言，它是使用第二种方式进行对象访问，但在整个软件开发的范围来看，各种 语言、框架中使用句柄来访问的情况也十分常见。
本文主要参考《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》后的学习笔记及总结。
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