自动内存管理机制（1）- java内存区域与虚拟机对象

1. 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。有的区域随着虚拟机进行的启动而存在，有些区域则以来用户线程的启动和结束而建立和销毁。

有以下几个区域：
java内存区域

1.1. 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。它是线程私有的。

如果线程执行的是一个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；如果执行的是本地方法，那么这个计数器值为空（Undefined）。

1.2. Java虚拟机栈

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会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用到执行完成的过程，对应着一个栈帧在虚拟机中从入栈到出栈的过程。

与程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的。

经常有人把Java内存区分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种分法比较粗糙，其中的“栈”就是现在所讲的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表的部分

在这个区域会抛出以下两种异常：

StackOverflowError：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，抛出异常
OutOfMemoryError：如果虚拟机栈可以动态拓展，如果拓展时无法申请到足够的内存，抛出异常

1.3. 本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈是非常类似的，区别在于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Natice（本地）方法服务。

和虚拟机栈一样，本地方法栈也是线程私有的，本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

1.4. Java堆

Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是线程共享的，在虚拟机启动时创建。

Java堆的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域。由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆还可以细分为：新生代和老年代；再细一些还可以划分为Eden空间，From Survivor空间，To Survivor空间。

如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再拓展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

1.5. 方法区

方法区（Method Area）也是线程共享的。

方法区是用于存储已经被虚拟机加载的类消息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。它有一个别名叫做Non-Heap（非堆）。

除了以上五个区域外，还有两个概念需要熟悉：

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，接口等信息外，还有一项是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分再类加载后进入方法区的运行时常量池存放。
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。

在JDK1.4中新加入了NIO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堆中的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。
- 直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但会受到本机总内存大小的限制
- 配置虚拟机参数时，不要忽略直接内存防止出现OutOfMemoryError异常

2. HotSpot虚拟机对象

2.1. 对象的创建

虚拟机遇到一条new指令时，首先区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，那执行相应的类加载过程。
在类加载检查通过后，虚拟机将为新生对象分配内存。内存分配方法有以下两种：
1. 指针碰撞（Bump the Pointer）
  
  假设堆中内存是绝对规整的，所有用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那分配内存就仅仅是把指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离。
2. 空闲列表(Free List)
  
  如果Java堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，虚拟机就必须维护一个列表，记录哪些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录。
选择哪种分配方法由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。

在使用Serial、ParNew、等带Compact（压缩）过程的收集器时，采用指针碰撞算法。而使用CMS这种基于Mark-Sweep（标记扫描）算法的收集器时，使用空闲列表算法。
解决划分可用空间的问题后，还有一个问题就是对象创建在并发情况下并不是线程安全的，解决这个方法由两种方案：
1. 对分配内存空间的动作进行同步处理
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
  
  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）。哪个线程要分配内存，就在哪个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB时，才需要同步锁定。
接下来，虚拟机会对对象进行一些必要的设置，比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、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息。

完成以上步骤后，从虚拟机的角度看，一个新的对象已经产生了，但从Java程序的角度看，对象的创建才刚刚开始——init()方法话没有执行，所有的字段都为零。所以执行new指令后还会接着执行init方法，这样才真正创建了一个对象。

对象的创建过程

2.2. 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块区域：

对象头（Header）
实例数据（Instance Data）
对齐补充（Padding）

2.2.1. 对象头

对象头包括两部分信息

第一部分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，官方称为“Mark Word”。

![Mark Word](img/Mark Word.png)
第二部分是类型指针，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。

2.2.2. 实例数据

实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数（FieldsAllocationStyle）和字段在Java源码中定义顺序的影响。

HotSpot虚拟机默认的分配策略为longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops(Ordinary Object Pointers)，从分配策略中可以看出，相同宽度的字段总是被分配到一起。在满足这个前提条件的情况下，父类中定义的变量会出现在子类之前。

2.2.3. 对齐填充

对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。因为HotSpot VM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。对象头部分正好是8字节的倍数，因此，当实例数据部分不是8字节的倍数时，通过对齐填充使其成为8的倍数。

2.3. 对象的访问定位

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。目前主流的有使用句柄和直接指针两种。

句柄访问

如果使用句柄访问，Java堆中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堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而reference中存储的直接就是对象地址。

各自的优势：

句柄访问最大好处就是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。
直接指针访问最大好处就是速度更快，节省了一次指针定位的时间开销。

3. 小结

虚拟机中的内存是如何划分的

程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈、Java堆、方法区
对象的创建过程

new一个对象，查找常量池中是否有相同的符号引用，如果没有则进行类的加载、解析和初始化；有的话就为对象分配内存（堆），有两种分配方式：指针碰撞和空闲列表，分配过程可能会引发并发问题；初始化为零值，调用init方法
对象的内存布局

对象头，实例数据，对齐补充
对象的访问方式

句柄访问，直接指针访问