JVM内存结构

JVM内存布局规定了Java在运行过程中内存申请、分配、管理的策略，保证了JVM的高效稳定运行。

JVM运行时数据区：

　　1、堆

　　　　虚拟机中最大的一块内存区域，是线程共享的内存区域，用于存放对象的实例，数组内存在此分配（所有的对象实例和数组都在堆上分配），可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。

　　　　堆内又划分为新生代和老年代，默认比例为1:2，新生代又分为Eden， Survivor from，Survivor to区，默认比例为8:1:1

　　　　

　　　　堆内存由各子线程共享使用，堆由垃圾收集器自动回收。

 

　　2、栈

　　　　JVM中的虚拟机栈是描述Java方法执行的内存区域，它是线程私有的。

　　　　栈中的元素用于支持虚拟机进行方法调用，每个方法执行的时候都会在栈中创建一个栈帧，每个方法从开始调用到执行完成的过程，就是对应着从入栈到出栈的过程。在活动线程中，只有位于栈顶的帧才是有效的，称为当前栈帧。正在执行的方法称为当前方法，栈帧是方法运行的基本结构。

 

　　　　栈帧包括局部变量表、操作栈、动态连接、方法返回地址等

　　　　　　1）局部变量表：（存放局部基本类型变量的值和引用类型在堆中的地址值，方法参数），方法的返回值等信息

　　　　　　2）操作数栈：操作栈是一个初始状态为空的桶式结构栈。在方法执行过程中，会有各种指令往栈中写人和提取信息

　　　　　　3）动态连接：每个栈帧 中包含一个在常量池中对当前方法的引用 ， 目的是支持方法调用过程的 动态连接。

　　　　　　4）方法返回地址（方法出口）：方法的退出的过程相当于弹出当前栈帧，方法执行结束将返回方法当前被调用的位置

 

　　3、元空间

　　　　JDK1.7及之前使用方法区，方法区内包含：类信息（类名，访问修饰符、字段描述、方法 描述等）、常量、静态变量、即时编译后的class文件等。在GC时用永久代来实现方法区

　　　　　　

　　　　JDK1.8取消了方法区，取而代之的是元空间，并将字符串常量池移到堆内存中，其他内容包括类元信息、字段、静态属性、方法，常量等都移动到元空间内。

 

　　　运行时常量池：

　　　　是方法区的一部分，存放编译期生成的各种字面量和符号引用（字面量就是实际的值，如1，"abc"，符号引用是不知道实际引用对象的实际地址而抽象出的一种引用）。

　　　　字面量如：文本字符串，声明为final的常量值；
　　　　符号引用包括了三种常量，分别是：类和接口的全限定名，字段的名称和描述符，方法的名称和修饰符

 

　　4、本地方法栈

　　　　线程私有，主要用于执行本地Native方法

 

　　5、程序计数器寄存器

　　　　线程私有区域，用于记录当前线程下虚拟机正在执行的字节码的指令地址。

　　　　CPU 只有把数据装载到寄存器才能够运行。寄存器存储指令相关的 现场信息，由于 CPU 时间片轮限制，众多线程在并发执行过程中，任何一个确定的 时刻，一个处理器或者多核处理器中的一个内核，只会执行某个线程中的一条指令。 这样必然导致经常中断或恢复，如何保证分毫无差呢?每个线程在创建后，都会产生自己的程序计数器和枝帧，程序计数器用来存放执行指令的偏移量和行号指示器等，线程执行或恢复都要依赖程序计数器。程序计数器在各个线程之间互不影响，此区域也不会发生内存溢出异常

　　　　

 

 

直接内存：Direct Memory

　　Direct Memory容量可通过-XX:MaxDirectMemorySize指定，如果不指定则默认和Java堆的最大值-Xmx一样。

　　不受到Java堆内存大小的限制，只会受到计算机总内存（包括RAM以及SWAP或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制，若直接内存和JVM各个区域占用总内存大小超过物理内存限制则会出现OutOfMemoryError。

 

NIO：JDK1.4引入的一种基于通道channel和缓冲区Buffer的IO方式；它可以使用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，避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据，因此能在一些场景中显著提高性能。

 

使用堆外内存的原因

• 对垃圾回收停顿的改善。由于堆外内存是直接受操作系统管理而不是JVM，所以当我们使用堆外内存时，即可保持较小的堆内内存规模。从而在GC时减少回收停顿对于应用的影响。
• 提升程序I/O操作的性能。通常在I/O通信过程中，会存在堆内内存到堆外内存的数据拷贝操作，对于需要频繁进行内存间数据拷贝且生命周期较短的暂存数据，都建议存储到堆外内存。

 

 

    

 

 

Java堆中对象分配，布局和访问过程

1、对象创建（普通Java对象，不包括数组和Class对象）

　　虚拟机遇到一条new指令时，首先去常量池中检查这个指令的参数能否定位到一个类的符号引用，并检查这个符号引用代表的类是否已经被加载，解析和初始化过，如果没有先执行类的初始化过程。

 　　在类加载检查通过后，对象所需的内存的大小在类加载完成后便可完全确定，接下来虚拟机将为新生对象分配内存，即把一块确定大小的内存从堆中划分出来。

　　（若堆中内存是规整的，即用过的和空闲的各放在一边，指针指向分界点，内存分配即指针向空闲移动对象所需的内存大小。这时内存分配采用指针碰撞（bump the pointer）的方式

　　若堆中的内存是不规整的，虚拟机需维护一张列表记录哪些内存块是可用的，在分配的时候找到一块足够大的内存块划分给对象，并更新列表，这种方式称为空闲列表（free list））

　　因此使用哪种方式取决于堆内存是否规整，是否规整又取决于采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。因此采用Serial、ParNew采用的是指针碰撞，采用CMS收集器使用的是空闲列表。

 

　　给对象分配内存需要考虑线程安全的问题，需要同步进行，避免两个对象分配一块内存；解决这个问题有两种方案：

　　1、对内存分配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的原子性

　　2、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），线程先在TLAB上分配，

　　只有TLAB用完分配新的TLAB时才需要同步锁定。

　　内存分配完成后JVM将分配到的内存空间都初始化为0值，然后进行必要的设置，类的元数据信息，对象的哈希码，对象的GC分代年龄都存在对象头中，最后进行init初始化。

 

 2、对象的内存布局

　　在HotSpot 虚拟机中，对象在内存中的存储被分成了3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）

　　对象头分成两部分：

　　　　1、用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码、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

　　　　2、类型指针，即对象指向它的类元数据的指针。JVM通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。如果是数组对象，对象头中还需记录数组的长度

　　实例数据：对象真正存储的有效信息，即是代码中定义的字段内容，包括从父类继承下来的和自身定义的

　　对齐填充：并不是必然存在的，仅仅起着占位符的作用。JVM要求对象的大小必须是8字节的整数倍。

 

3、对象的访问定位

　　建立对象是为了使用对象，Java程序通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。reference只是指向对象的一个引用，如何访问定位对象在堆上的具体位置呢？

　　1、句柄：Java堆中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，句柄中包含了对象实例数据和类型数据各自的具体地址信息。

　　　　好处是稳定：如垃圾收集时若对象被移动，只需修改句柄中的实例数据指针，reference无需修改。

　　2、直接指针：reference中存放的直接就是对象地址。好处是速度快，节省了一次指针定位的开销，HotSpot就是通过这种方式访问的。

 

4、Java对象模型

 

 

　　线程共享：堆，方法区（常量池）

　　线程私有：栈，程序计数器，本地方法栈

 

END.