深入理解虚拟机 —— Java内存区域

本文是《深入理解Java虚拟机:JVM高级特性与最佳实践(第二版》读书笔记。

概述

Java与C++之间有一堵由内存动态分配和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。
对于Java开发人员来说,不需要像C++程序员那样去管理内容回收的事情,Java虚拟机会干这些事情。

运行时数据区域

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。看下图:

程序计数器

程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间,它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器,在分支、循环、跳转、异常、线程恢复等都依赖这个计数器。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的,在任何一个确定的时刻,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中的指令。因此,为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每条线程都需要有个独立的程序计数器,各条线程之间计数器互不影响,独立存储,我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

程序计数器是唯一一个没有 OOM 问题的区域,生命周期随线程的创建而创建,随线程结束而结束。

Java虚拟机栈

和程序计数器一样是线程私有的,生命周期和线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型:每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧(Stack Frame)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人栈到出栈的过程。

Java内存可以粗糙的区分为堆内存(Heap)和栈内存(Stack),其中栈就是现在说的虚拟机栈,或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型( boolean、byte、char、 short、int、foat、long、 double)、对象引用( reference类型,它不等同于对象本身,可能是一个指向对象起始地址的引用指针,也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置)和 return Address 类型(指向了一条字节码指令的地址)。

本地方法栈

本地方法栈和虚拟机栈所发挥的作用非常相似,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,而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务

Java堆(Heap)

Java堆是Java虚拟机中管理内存最大的一块。Java堆是线程共享的。在虚拟机启动时创建,此内存的唯一目的是存放对象实例,几乎所有的对象实例都在这里分配内存。Java虚拟机中的 GC 算法也都在这个内存块。

堆内存是Java虚拟机中最大的一块有年轻代和老年代组成,而年轻代内存又被分成三部分,Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间,默认情况下年轻代按照8:1:1的比例来分配。

方法区

方法区(Method Area)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虚批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。

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)。

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) 与缓存区(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受到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。

元空间(Metaspace)

JDK8 HotSpot JVM 将移除永久区,使用本地内存来存储类元数据信息并称为:元空间(Metaspace)。

方法区是 JVM 的规范,PermGen Space 是JVM规范的一种实现。元空间的本质和永久代类似,都是对 JVM 规范中方法区的实现。不过元空间和永久代之间最大的区别:元空间并不在虚拟机中,而是使用本地内存。元空间的最大可分配空间就是系统可用内存空间。因此,一般不会遇到永久代存在时的内存溢出错误,也不会出现泄漏的数据移到交换区的情况。如果不对元空间设置一个可用空间最大值,JVM 会自动根据类的元素大小洞天增加元空间容量。

Hotspot虚拟机对象探秘

对象的创建

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。

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。
分配方式有 “指针碰撞” 和 “空闲列表” 两种,选择那种分配方式由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。

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。

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、对象的哈希吗、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象头中,根据虚拟机当前运行状态的不同,如是否启用偏向锁等,对象头会与不同的设置方式。new指令执行完后,再按照程序员的意愿执行init方法后一个真正可用的对象才诞生。

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快区域:对象头、实例数据和对齐填充。
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(哈希吗、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

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 reference类型在Java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用,并没有定义这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中的对象的具体位置,所以对象访问方式也是取决于虚拟机实现而定的。日前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。

句柄池

如果使用句柄访问的话,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:

直接指针访问

如果使用直接指针访问,那么Java堆对像的布局中就必须考虑如何防止访问类型数据的相关信息,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。

参考

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