一、JVM - 内存管理

一、运行时数据区域

​Java 虚拟机在执行Java程序的过程会把它所管理的内存划分为若干个不同数据区域

1. 程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。每条线程都有一个独立的程序计数器。如果正在执行的是本地（Native）方法，这个计数器的值则为空（Undefined）。此内存区域是唯一一个在《Java虚拟机规范》中没有规定OutOfMemoryError情况的区域

2. Java 虚拟机栈

与程序计数器一样，Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）也是线程私有的，生命周期与线程相同。每个方法被执行的时候，Java 虚拟机都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表，操作数栈，动态连接，方法出口等信息。每一个法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机中从入栈到出栈的过程。

局部变量表存了编译期可知的各种 Java 虚拟机基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型）。这些数据在局部变量表中的存储以局部变量槽（Slot）来表示，其中64位长度的double 和long 类型的数据会占用两个变量槽。局部变量表所需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空间完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变理表（变量槽）的大小。

在《Java 虚拟机规范》中，对这个区域规定了两类异常状况：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；在 Hotspot上只要线程申请栈空间成功了就不会有OOM，但如果申请时就失败，仍然是会出现OOM异常的。

3. 本地方法栈（Native Method Stacks）

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别就是虚拟机栈为虚拟机执行 Java方法服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务

本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常。

4. Java 堆

Java 堆（Java Heap）是虚拟机管理的内存中最大的一块。Java堆是所有线程共享的一块内存区域，存放对象实例。Java堆是垃圾收集器管理的内存区域，在虚拟机启动时创建。由于现代垃圾收集器大部分是基于垃圾分代收集理论设计的，所以 Java堆中又会产生 “新生代”、“老年代”、“永久代、元数据空间”、“Eden空间”、“From Survivor 空间”、“To Survivor 空间”等名词。
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堆内存的大小可以通过 -Xmx 和 -Xms设定。如果在 Java堆中没空间完成实例分配，并且堆也元法再扩展时，Java 虚拟机将会抛出 OutOfMemoryError 异常。

5. 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。《Java虚拟机规范》中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作“非堆”（Not-Heap），目的是与 Java堆区分开来。

JDK8以前，Hotspot 虚拟机设计团队把收集器的分代设计扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区，这样使得 Hotspot 的垃圾收集器能够像管理 Java堆一样管理这部分内存.

JDK8 完全废弃了永久代的概念，改用与JRocket、J9 一样在本地内存中实现的元空间（Metaspace）来替代。

6. 运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）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，还有常量池表，用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用。当常量池无法申请到内存时会抛出 OutOfMemoryError 异常。

7. 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，但这部分内存也被使用，也可能导致 OutOfMemoryError。

在JKD 1.4 中加入NIO(New Input/Output)类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方法，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。

二、对象的创建

Java 虚拟机遇到一条 new 指令时，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、解析和初使化过。如果没有，那先执行相应的类加载过程。

对象所需内存大小在类加载完成后便可完全确定，假设 Java 堆中的内存是绝对规整的，所有被使用过的内存都被放在一边，空闲的内存被放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那分配内存仅仅是把指针向空闲空间方向挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为“指针碰撞”（Bump The Pointer）。但如查堆中的内存并不是完整的，已被使用的内存和空闲的内存交错一起，那就没办法简单的进行指针碰撞了，虚拟机必须维护一个列表，记录哪些内存块是空闲的。在分配的时候找到一块足够大的空间划分给新对象实例，并更新列表记录，这种分配方式称为“空闲列表”。选择哪种分配方式由 Java 堆是否规整决定，而 Java 堆是否规整又由采用的垃圾收集器是否带有空间压缩整理（Compact）的能力决定。Serrial、ParNew 等带有压缩整理过程的收集器，系统采用的分配算法是指针碰撞；而CMS基于清除（Sweep）算法的收集器时，为了能在多数情况下分配得更快，设计了一个叫作 Linear Allocation Buffer 的分配缓冲区，能过空闲列表拿到一大块分配缓冲区之后，在它里面仍然可以使用指针碰撞的方式来分配。

但仅仅修改一个指针指向的位置，在并发情况下也并不是线程安合的，可能出现正在给A分配内存，指针还没来得及修改，对象B又同进使用了原来的指针来分配内存的情况。解决这个问题有两种可选方案：一种是对分配内存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操作的原子性；另一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程预先分配一小块内存，称为 本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer, TLAB），哪个线程分配内存，就在哪个线程的本地线程缓冲区中分配。当本地缓冲用完了，分析与新缓存区时才需要同步锁定。虚拟机可以通过 -XX:+/-UseTLAB 参数来设定是否使用TLAB。

内存分配完成后，虚拟机必须将分配到的内存空间（但不包括对象头）都初使化为零值，这步操作保证了对象的实例字段在 Java 代码中可以不赋初使值就直接使用，使程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

接下来 Java 虚拟机还要对对象进行必要的设置，如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的GC分代年龄等信息。

从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了。但是从 Java 程序的视角来看，对象创建才刚刚开始，一般来说 （由字节码流中 new 指令后面是否跟随 invokespecial 指令所决定，Java 编译器会在遇到 new 关键字的地方同时生成这两条字节码指令，但如果直接通过其它方式产生的则不一定）new 指令之后会接着执行()方法对对象进行初使化。这样一个真正可用的对象才算完全被构造出来。

1. 对象的内存布局

在 HotSpot 虚拟机里，对象在堆内存的存储布局可以划分三个部分：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）、和对齐填充（Padding）。

对象头（Header）部分包括两类信息：第一类是用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、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，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32个比特和64个比特，官方称它为“Mark Word”。Mark Word 被设计成动态定义的数据结构，以便在极小的空间内存储尽量多的数据，根据对象的状态复用空间。对象头另一部分是类型指针，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。（并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针）。此外，如果对象是一个 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。

在32位系统中，Mark Word = 4 bytes = 32 bits，对象头 = 8 bytes = 64 bits；
在64位系统中，Mark Word = 8 bytes = 64 bits ，对象头 = 16 bytes = 128bits；

HotSpot 虚拟机对象头Mark Word

实例数据（Instance Data）即我们在程序代码里面所定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的字段都必须记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数（-XX:FieldsAllocationStyle）和字段在 Java 源码中定义顺序的影响。HotSpot 虚拟机默认的分配顺序为 longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops(Ordinary Object Pointes, OOPs)，从该策略可以看出，相同宽度的字段总是被分配到一起存放，在满足这个前提条件的情况下，在父类定义的变量会出现在子类之前。如果 -XX:CompactFields 参数值为 true（默认就是true），那子类中较窄的变量也允许插入父类变量的空隙中，以节省空间。

对齐填充（Padding）并不是必然存在的，仅仅是起着占位符的作用。由于 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，对象头部分已经被精心设计成正好是8个字节的倍数，如果对象实例数据部分没有对齐的话，就需要通过对齐来补全。

2. 对象的访问定位

Java 程序会通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象，《Java 虚拟机规范》只规定了 reference 是一个指向对象的引用，并没定义这个引用应该通过什么方式去定位、访问至堆中的对象的具体位置，所以对象访问方式也是由虚拟机实现而定的，主流的方式主要有使用 句柄 和 直接指针 两种：

• 如果使用 句柄 访问的话，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。使用句柄访问的最大好处就是 reference 中存储的是稳定句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象）时只会改变句柄中的实例数据指针，而 reference 本身不需要修改。
• 如果使用 直接指针 访问的话，Java 堆中对象的内存布局就必须考虑如何放置类型数据的相关信息，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。使用直接指针来访问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，由于对象访问在 Java 中非常频繁，因些这类开销积少成多也是一项极为可观的执行成本。HotSpot 使用的直接指针访问。
  

三、内存分配策略

1. 对象优先在Eden分配
2. 大对象直接进行老年代
3. 长期存活的对象将进入老年代
4. 动态年龄判断，HotSpot 虚拟机并不是永远要求对象的年龄必须达到 -XX:MaxTenuringThreshold 才能晋升老年代，如果在Survivor 空间中相同年龄所有对象大小的总和大于 Survivor 空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代，无须等到 -XX:MaxTenuringThreshold 中要求的年龄。
5. 空间分配担保