01｜JVM整体架构

根据JVM规范，JVM内存共分为虚拟机栈、堆、方法区、程序计数器、本地方法栈五个部分。
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程序计数器

线程私有；当前线程所执行字节码的行号指示器，通过修改指示器来选去下一条需要执行的字节码指令；如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是本地（Native）方法，这个计数器值则应为空（Undefined）。此内存区域是唯一一个在《Java虚拟机规范》中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

虚拟机栈

线程私有；生命周期与线程相同。
虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧用于存储基本数据类型的局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
局部变量表存放了编译器可知的各种Java虚拟机基本数据类型、对象引用，这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）表示表示，其中64位长度的long和double类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只会占用一个。局部变量表所需的内存空间在编译器完成分配，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。（这里的大小是指变量槽的数量，虚拟机真正使用多大的内存空间来实现一个变量槽，由具体的虚拟机实现自行决定）
如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存将会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

与虚拟机栈类似，区别在于虚拟机栈对应Java方法服务，本地方法栈未本地（Native）方法服务。

Java堆

所有线程共享；是虚拟机管理内存最大的一块。在虚拟机启动时创建。唯一目的就是存放对象实例。
java堆事垃圾收集器管理的内存区域。如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再拓展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区（非堆）

所有线程共享；用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。
Java8以前方法区可以称为“永久代”，Java8以后废弃了永久代的概念，改用在本地内存中实现元空间（Meta-space）来代替

运行时常量池

方法区的一部分，用于存放编译器生成的各种字面量与符号引用。

直接内存

直接内存（Direct Memory）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。但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常。
在JDK 1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O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堆里面的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，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。显然，本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是，既然是内存，则肯定还是会受到本机总内存（包括物理内存、SWAP分区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制，一般服务器管理员配置虚拟机参数时，会根据实际内存去设置-Xmx等参数信息，但经常忽略掉直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

JVM分为五大模块：

  • 类装载器子系统
  • 运行时数据区
  • 执行引擎
  • 本地方法接口

  • 垃圾收集模块

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    02｜JVM运行时内存

    Java7和Java8内存结构的区别
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    Java8虚拟机内存详解
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    方法区Java8之后的变化：

  • 移除了永久代（PermGen），替换为元空间（Metaspace）

  • 永久代中的class metadata（类元信息）转移到了native memory（本地内存，而不是虚拟机）
  • 永久代中的interned Strings（字符串常量池）和class staticvariables（类静态变量）转移到类Java heap
  • 永久代参数（PermSize MaxPermSize）->元空间参数（MataspaceSize MaxMetaspaceSize）

Java8为什么要将永久代替换成Metaspace？

  • 字符串存在永久代中，容易出现性能问题和内存溢出
  • 类及方法的信息等比较难确定其大小，因此对于永久代的大小指定比较困难，太小容易出现永久代溢出，太小则容易出现老年代溢出

  • 永久代会为GC带来不必要的复杂度，并且回收效率偏低

    02｜HotSpot虚拟机

    对象的创建过程
    1. new 指令
    1. 在常量池中定位类的符号引用
    1. 检查类是否已经被加载、解析和初始化过，如没有则执行相应的类加载过程
    1. 为新生对象分配内存（所需内存大小在类加载完成之后确定）。注：如果内存是规整的，则使用“指针碰撞”进行分配，如果内存不规整，虚拟机就必须维护一个列表，记录可使用的内存块，在分配的时候需找足够大的一块分配给对象实例，并更新内存列表记录，这种称为“空闲列表”。选择哪种方式由堆内存是否规整决定，内存是否规则由垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。带压缩整理功能的收集器：Serial、ParNew。保证内存分配线程安全的两种方式：
      • ①CAS+失败重试；
      • ②本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），把内存分配的动作按照线程划分在不用的空间上进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存；虚拟机配置是否使用TLAB命令： -XX:+/-UseTLAB。
    1. 将分配到的内存空间初始化为零值（不包含对象头），使用TLAB，这一工作可以提前至TLAB分配时进行。
    1. 设置对象头信息，头信息包括元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代信息等。
    1. 执行对象方法
      对象的内存布局
      对象在堆内存中的存储布局可以划分为三个部分：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）、和对齐填充（Padding）。

  • 对象头：对象头包含两类信息：

    • 第一类：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。
    • 第二类：类型指针，即对象指向它的类型元数据的指针，Java虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。

如果Java对象是一个Java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据。

  • 实例数据

存储对象真正的有效信息，即在代码中定义的各种类型和字段内容，存储顺序受到虚拟机分配策略参数（-XX:FieldAllocationStyle）和字段在java源码中定义顺序的影响

  • 对齐填充

并非必然存在，仅起到占位符的作用，HotSpot虚拟机的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，因此，如果对象实例数据部分没有对齐的话，就需要通过对齐填充来补全。

对象的访问定位

访问对象的两种方式：

  • 句柄

01｜Java内存区域 - 图7
Java堆中将可能会划分出一块内存作为句柄池，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具体的地址信息。

  • 直接指针

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reference中存储的直接就是对象地址，如果只是访问对象本身的话，就不需要多一次间接访问的开销。