Java内存区域

对周志明大神的书籍做一个地毯式的横向总结,有一些前后章节关联的内容后面会进行纵向总结,在保证内容准确的情况,尽量使用自己的语言,加上自己的理解,可能有误差之处,但是只作为个人笔记,如有发现,欢迎指正!

1.运行时数据区域

概述

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,以及创建和销毁时间,即生命周期,有的区域随着虚拟机进程的启动而存在,有的区域则依赖用户进程的启动和结束而创建和销毁,下面一次介绍虚拟机运行时区域:

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1.程序计数器

占用内存空间较小,字节码解释器工作时就是通过改变程序计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令

Java虚拟机的多线程是通过各个线程轮流使用时间片来实现的,在任何一个时间点上,一个处理器(对于多核处理器来说是一个内核)都只会执行一条线程的指令,因此为了线程切换后能够回到正确的位置,每个线程都需要有一个独立的程序计数器,各个线程之间计数器互不影响,独立保存切换CPU时间片时指令的位置,所以程序计数器是线程私有的。

如果线程正在执行的是Java方法,那么计数器内记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址,当要执行下一个字节码指令时,只需要改变计数器的值即可。如果当前线程执行的是native方法,那么这个计数器的值为空。

这个内存区域通常不会存在OutOfMemoryError的情况

2.Java栈

和程序计数器一样,Java栈也是线程私有的,生命周期和线程一样。线程中每个方法执行时都会创建一个栈帧, 用于存放方法的局部变量表,操作数栈等,每个方法的调用到执行完成的过程,就对应栈帧在Java中进栈到出栈的过程。

栈帧中局部变量表是经常被讨论的,后面到运行时栈帧结构中会做详细的理解,目前只需要直到,局部变量表中存放了方法的参数和方法内定义的局部变量。在Java程序编译为class文件时,就已经确定了局部变量表需要占用的最大空间,方法运行期间,大小不会改变。

Java栈可能会出现以下两种异常情况:如果线程请求的栈深度大于目前虚拟机所允许的深入,那么将会抛出StackOverflowError异常,但是大多数的Java虚拟机都可以动态的扩展虚拟机栈,当扩展时无法申请到足够内存时,会报出OutOfMemoryError异常

3.本地方法栈

和Java栈类似,不过本地方法中存放的是native方法,前面博客中已经提到,native方法的方法体通常由非Java方法实现,为Java方法和底层操作系统之间提供了一个接口。

因为虚拟机规范中对native方法使用的语言,使用方式于数据结构都没有强制的规定,虚拟机可以自由实现,有的虚拟机(例如Sun HotSpot虚拟机)甚至将Java栈和本地方法栈合二为一

4.Java堆

Java堆通常是Java内存区域最大的一块,在虚拟机启动时创建,线程共享。几乎所有的对象实例都存放在这里(根据自己的了解,Class对象是存放于方法区中的)。

Java堆是垃圾收集器的主要区域,与垃圾回收有关的内容,在后面的笔记中会做总结,但还是简单的说一下,因为这次是通读一遍书,是横向的总结,后面会做一些专题式的纵向总结。因为垃圾收集器基本上都是采用分代收集算法,所以可以把Java堆分成新生代和老年代,从内存分配的角度来看,Java堆中还可能划分出多个线程分别私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer TLAB),但是不管怎么划分,什么叫法,它都是堆,都是用来存放对象实例的,进一步划分的目的都是为了更好的回收内存,或者更快的分配内存。

Java堆在物理上可以是不连续的空间,只要逻辑上连续就可以,在实现时,可以做成固定大小的,也可以做成可扩展的,通常使用-Xmx和-Xms来控制。

当堆中没有内存用来分配对象实例,并且Java无法进行扩展时,会报出OutOfMemoryError异常

5.方法区

方法区也是线程共享的,通常用于存放已经被虚拟机加载类的类型信息,常量,静态变量,即时编译器编译后的代码等数据。(即时编译器暂时不是很了解,后面会讲到)。垃圾回收行为在方法区出现的概率比较低,HotSpot虚拟机将方法区叫做永生代,但数据进入方法区并不是永久存在的,这里的回收目标主要是针对常量池和类型卸载。但类型卸载的条件比较苛刻,通常情况下效果不是很理想。

当内存空间不足时,也会报出OutOfMemoryError异常


运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分,但是这里并没有单独列出。

Class文件中不仅包括类的版本、字段、方法、接口等描述信息,还包括常量池,用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用,这个常量池在类加载之后进入方法区的运行时常量池中存放,将符号引用替换为直接引用,当然这是后话,后面会详细介绍Class文件结构以及类加载过程。

运行时常量池和class文件中的常量池相比具有动态性,不仅保存了class文件中的符号引用,而且还会把翻译出来的直接引用也存放其中,因为这种动态性,Java语言并没有说常量只有在编译期才能产生,也就是并非预置入class文件常量池中的内容才能进入方法区运行时常量池,运行期间也可以将新的常量放入池中,例如String.intern()方法。String.interm()参考文章

当内存空间不足时,也会报出OutOfMemoryError异常

2.HotSpot虚拟机对象探索

我们在熟悉了Java运行时数据区域之后,应该进一步了解数据在Java内存区域的一些细节。对于这样涉及细节的问题,必须把讨论范围限定在具体的虚拟机和某一个内存区域上才有意义。这里我们使用HotSpot虚拟机上的Java堆,深入研究一下对象分配、布局和访问的全过程

1.对象的创建

这里谈论的对象创建仅限于普通Java对象,不包括数组,Class对象等具有特殊性的。

我们之前经常写的,再简单不过的语句:Person p = new Person();在这条语句后面就涉及到非常多知识,所以对待技术要有敬畏之心。

当虚拟机遇到一条new指令时,首先去检查这个指令的参数是否在常量池中有对应类的符号引用,并且检查这个符号引用所代表的类是否已经被加载、解析、初始化,如果没有,就要先执行对应的类加载过程,关于类加载的详细步骤,后面会总结。

在类加载检查通过后,接下来虚拟机为新生对象分配内存,对象所需内存的大小在类加载完成之后便可以确定,为对象分配空间的任务就是把一个大小确定的内存从Java堆中划分出来,主要有两种分配方式:

1.指针碰撞:

如果Java堆是规整的,用过的内存放在一边,空闲的放在一边,中间使用一个指针作为分界点,那么分配内存仅仅就是把指针向空闲内存的一边移动和对象大小相等的距离

2.空闲列表:

如果Java堆的内存并不是规整的,使用过的和空闲的交错在一起,那么就没有办法使用指针碰撞的方法,这时虚拟机就需要维护一个空闲列表,空闲块在里面都有登记,分配的时候,只需要查询列表,找到一个足够的空闲块进行分配即可


使用哪种分配方法取决于Java堆是否规整,而Java堆是否规整又取决于采用的垃圾收集器是否带有压缩整理的功能。

除了划分出可用空间以外,还需要考虑创建对象过程中的安全问题,例如采用指针碰撞方式,给对象A分配内存,指针还没来得及修改,对象B就使用原来的指针来分配内存,虚拟机为我们提供了两种解决方案:

  • 对分配内存空间的动作进行同步处理: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CAS的理解

  • 把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间内进行,每个线程在Java堆中预分配出一块内存,叫做本地线程分配缓冲(Thread Local Allocation Buffer TLAB),哪个线程要分配内存,就在各自的TLAB上进行,当TLAB用完并分配新的TLAB时,再进行同步锁定。虚拟机是否使用TLAB,可以通过参数指定

内存分配完成之后,虚拟机需要将分配过的内存空间初始化为零值(不包括对象头),如果使用了TLAB,这一步可以提前至分配TLAB时进行,这样就可以保证对象的实例字段在Java代码中不进行初始化就可以使用,都已经默认为零值。(讲究!!!)

接下来虚拟机对对象进行必要的对象头信息的设置,后面有关于对象头的介绍。


上面的工作完成之后,在虚拟机的层面上对象的创建工作已经完成,但是在程序员的角度,真正的创建才刚刚开始,还没有执行方法,所有的字段都为零值,方法按照程序员的意愿对对象进行初始化,这时真正可用的对象创建完成,获得这个对象的引用就可以使用了。

2.对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中,对象的存储布局可以分为三个区域:对象头,实例数据,对齐补充

  • 对象头:包括两部分信息,一部分用于存储对象自身的运行时数据,如哈希值,GC分代年龄等。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哪个类的实例。如果是数组对象,对象头必须有一块数据用于记录数组长度的数据,因为Java虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的饿大小,但是从数组的元数据无法确定数组的大小。
  • 实例数据:真正的有效信息,无论是从父类继承下来的,还是子类中定义的,都需要记录起来。
  • 对齐补充:占位符的作用,自动内存管理系统要求对象的起始地址必须是8字节的整数倍,这样也就间接的说明了对象的大小都是8字节的整数倍,而对象头部分已经是8字节的倍数,如果实例数据部分没有对齐时,需要使用对齐补充来填全。

3.对象的访问定位

对象创建完成之后需要进行使用,我们通常使用Java栈上的referencez数据,即对象引用来操作堆上的具体对象,主要的对象访问方式有两种:

  • 使用句柄

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Java堆中需要划分出一块内存用来作为句柄池,对象引用中存放的就是句柄的地址,而句柄中包含了对象实例数据和类型数据各自的地址。

  • 直接指针

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对象引用中存放的就是对象的地址,但是这种方式需要考虑如何存放访问类型数据的相关信息


这两种方式都各有好处,使用句柄来访问的最大好处就是对象引用中存储的是稳定的句柄地址,即使对象被移动,只需要改变句柄的实例数据指针,而对象引用不需要更改。

使用指针的好处就是更快,省去了一次指针定位的时间开销,由于对象的饿访问操作比较频繁,所以积少成多可以省去可观的执行成本。Sun HotSpot虚拟机采用的是第二种方式。