Java内存区域简介

运行时数据区域

本节介绍Java虚拟机内存的各个区域、讲解这些区域的作用、服务对象以及其中可能产生的问题。

程序计数器

程序计数器时一块较小的内存空间,它可以看作是当前线程所指向的字节码的行号指示器

当多线程运行时,每个线程切换后需要知道上一次所运行的状态、位置。由此也可以看出程序计数器时每个线程私有的。

字节码解释器工作时通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等功能都需要依赖这个计数器来完成。

另外,为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每条线程都需要有 一个独立的程序计数器,各线程之前计数器互不影响,独立存储,我们称这类内存区域为线程私有的内存

注意: 程序计数器时唯一一个不会出现OutOfMenoryError的内存区域,它的生命周期随着线程的创建而创建,随着线程池的结束而死亡。

Java虚拟机栈

描叙的是java方法执行的内存模型: 每个方法被执行的时候都会创建一个“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,每一个方法从调用至执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。生命周期与线程相同,是线程私有的。

局部变量表存放了编译器可知的各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(引用指针,并非对象本省),其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量的空间,其余数据类型只占一个。局部变量表所需要的内存空间在编译期间完成分配,当进入一个方法时,这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量是完全确定的,在运行期间栈帧不会改变局部变量表的大小空间。

Java虚拟机栈会出现两种异常: StackOverFlowError 和OutOfMenoryError

  • StackOverFlowError: 若Java虚拟机栈的内存大小不允许动态扩展,那么当线程请求栈的深度超过Java虚拟机栈的最大深度的时候,就抛出StackOverflowError异常。
  • OutOfMenoryError: 若java虚拟机的内存大小允许动态扩展,并且线程请求栈时内存用完了,无法再动态扩展了,此时抛出OutOfMenoryError 异常。

Java 虚拟机栈也是线程私有的,每个线程都有各自的Java虚拟机栈,而且随着线程的创建而创建,随着线程的死亡而死亡。

本地方法栈

与虚拟机栈基本类似,区别在于虚拟机栈为虚拟机执行的java方法服务,而本地方法栈为Native方法服务。在HotSpot虚拟中中和java虚拟机栈合二为一。

本地方法被执行的时候,在本地方法栈也会创建一个栈帧,用于存放该本地方法的局部变量表,操作数栈,动态链接,出口信息。

方法执行完毕后相应的栈帧也会出栈并释放内存空间,也会出现StackOverFlowError 和OutOfMenoryError 两种异常。

也叫java堆,GC堆是java虚拟机所管理的内存中最大的一块内存区域,也是被各个线程共享的内存区域,在JVM启动时创建,该内存区域存放了对象实例以及数组(所有new的对象),其大小通过-Xms(最小值)和-Xmx(最大值)参数设置,-Xms为JVM启动时说起的最小内存,默认为操作系统物理内存的1/64但小于1G,-Xmx 为JVM可申请的最大内存,默认为物理内存的1/4 但小于1G,默认当空余堆内存小于40%时,JVM会增大Heap到-Xmx指定的大小,可通过-XX:MinHeapFreeRation=来指定这个比列;当空余堆内存大于70%时,JVM会减小heap的大小到-Xms指定的大小,可通过XX:MaxHeapFreeRation=来指定这个比列,对于运行系统,为避免在运行时频繁调整Heap的大小,通常-Xms与-Xmx的值设成一样。

由于现在收集器都采用分代收集算法,堆被划分为新生代和老年代,新生代主要存储新创建的对象和尚未进入老年代的对象,老年代存储经过多次新生代GC(Minor GC) 仍然存活的对象。

新生代: 程序新创建的对象都是从新生代分配内存,新生代由Eden Space 和两块相同大小的Survivor Space 构成,可通过-Xmn参数来指定新生代的大小,也可以通过-XX:SurvivorRation来调整Eden Space 以及Survivor Space的大小。

老年代: 用于存放经过多次新生代GC仍然存活的对象,例如缓存对象,新建的对象也有可能直接进入老年代,主要有两种情况:

  • 大对象,可通过启动参数设置 -XX:PretenureSizeThreshold=1024 来代表超过多大时就不在新生代分配,而是直接在老年代分配。
  • 大的数组对象,并且数组中无引用外部对象,老年代所占的内存大小为-Xmx对应的值减去-Xmn对应的值。

Young Generation        即图中的Eden + From Space + To Space
Eden                    存放新生的对象
Survivor Space          有两个,存放每次垃圾回收后存活的对象
Old Generation          Tenured Generation 即图中的Old Space 
                        主要存放应用程序中生命周期长的存活对象

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。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。

默认最小值为16MB,最大值为64MB,可以通过-XX:PermSize-XX:MaxPermSize 参数限制方法区的大小。

HotSpot 虚拟机中方法区也常被称为 “永久代”,本质上两者并不等价。仅仅是因为 HotSpot 虚拟机设计团队用永久代来实现方法区而已,这样 HotSpot 虚拟机的垃圾收集器就可以像管理 Java 堆一样管理这部分内存了。但是这并不是一个好主意,因为这样更容易遇到内存溢出问题。

相对而言,垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的,但并非数据进入方法区后就“永久存在”了。

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,还有常量池信息(用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用)

既然运行时常量池时方法区的一部分,自然受到方法区内存的限制,当常量池无法再申请到内存时会抛出 OutOfMemoryError 异常。

JDK1.7及之后版本的 JVM 已经将运行时常量池从方法区中移了出来,在 Java 堆(Heap)中开辟了一块区域存放运行时常量池。

直接内存

直接内存又称为 Direct Memory(堆外内存)直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分,也不是虚拟机规范中定义的内存区域,但是这部分内存也被频繁地使用。而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。

JDK1.4中新加入的 NIO(New Input/Output) 类,引入了一种基于通道(Channel)缓存区(Buffer) 的 I/O 方式,它可以直接使用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。这样就能在一些场景中显著提高性能,因为避免了在 Java 堆和 Native 堆之间来回复制数据

本机直接内存的分配不会收到 Java 堆的限制,但是,既然是内存就会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。

对象的创建

类加载检查: 虚拟机遇到一个new指令的时候,首先去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到这个类的符号引用 ,并且检查这个符号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。

分配内存: 在类加载检查通过后,接下来虚拟机将未新生对象分配内存,对象所需要的内存大小在类加载完成后就可以确定了,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,分配方式由“指针碰撞” 和空闲列表两种,选择哪种分配方式由java堆是否规整决定,而java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。

内存分配的两种方式:

选择哪种内存分配方法取决于堆内存是否规整,二java堆内存是否规整取决于GC收集器的算法是”标记清除”还是标记整理。

内存分配并发问题

在创建对象的时候有一个很重要的问题,就是线程安全,在实际的开发过程中,创建对象是很频繁的事情,作为虚拟机来说,必须要保证线程是安全的,通常来讲,虚拟机采用两种方法来保证线程安全

  • CAS+失败重试: CAS是乐观锁的一种实现方式,所谓乐观锁就是每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作,如果因为冲突失败就重试,直到成功为止。虚拟机采用CAS配上失败重试的方法保证更新操作的原子性
  • TLAB: 为每一个线程预先在Eden区分配一块内存,JVM在给线程中的对象分配内存时,首先咋iTLAB分配,当对象大于TLAB中的剩余内存或TLAB的内存已经用尽的时候,再采用上述的CAS进行内存分配。

初始化零值

内存分配完成后,虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值(不包括对象头),这一步操作保证了对象的实例字段在java代码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锁对象的零值。

④设置对象头: 初始化零值完成之后,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、对象的哈希吗、对象的 GC 分代年龄等信息。 这些信息存放在对象头中。 另外,根据虚拟机当前运行状态的不同,如是否启用偏向锁等,对象头会有不同的设置方式。

⑤执行 init 方法: 在上面工作都完成之后,从虚拟机的视角来看,一个新的对象已经产生了,但从 Java 程序的视角来看,对象创建才刚开始,<init> 方法还没有执行,所有的字段都还为零。所以一般来说,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完全产生出来。

对象的内存布局

在 Hotspot 虚拟机中,对象在内存中的布局可以分为3块区域:对象头实例数据对齐填充

Hotspot虚拟机的对象头包括两部分信息第一部分用于存储对象自身的自身运行时数据(哈希码、GC分代年龄、锁状态标志等等),另一部分是类型指针,即对象指向它的类元数据的指针,虚拟机通过这个指针来确定这个对象是那个类的实例。

实例数据部分是对象真正存储的有效信息,也是在程序中所定义的各种类型的字段内容。

对齐填充部分不是必然存在的,也没有什么特别的含义,仅仅起占位作用。 因为Hotspot虚拟机的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍,换句话说就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数(1倍或2倍),因此,当对象实例数据部分没有对齐时,就需要通过对齐填充来补全。

对象的访问定位

建立对象就是为了使用对象,我们的Java程序通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。对象的访问方式有虚拟机实现而定,目前主流的访问方式有①使用句柄②直接指针两种:

  1. 句柄: 如果使用句柄的话,那么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各自的具体地址信息;

  2. 直接指针: 如果使用直接指针访问,那么 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,而reference 中存储的直接就是对象的地址。

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是 reference 中存储的是稳定的句柄地址,在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针,而 reference 本身不需要修改。使用直接指针访问方式最大的好处就是速度快,它节省了一次指针定位的时间开销。

扩展参考链接:

Java堆和栈看这篇就够
Java虚拟机的堆、栈、堆栈如何去理解?
Java 内存之方法区和运行时常量池
从0到1起步-跟我进入堆外内存的奇妙世界


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