深入理解Java虚拟机——Java内存区域——史上最烂的图文并茂结合
 深入理解Java虚拟机——Java垃圾回收器——史上最烂的图文并茂结合

前言
我们学习Java的第一天开始，老师就告诉我们Java语言相比较其他语言，他有一个非常强大的地方就是内存管理，我们使用Java不需要申请内存，释放内存，这一切工作都由Java虚拟机来完成。

文章目录

1：Java虚拟机内存管理

1.1 程序计数器
1.2 Java虚拟机栈
1.3 本地方法栈
1.4 Java堆内存
1.5 方法区

2：对象在内存中的布局

2.1 对象的创建

2.1.1 给对象分配内存
2.1.2 线程安全性问题

2.2 对象的内存布局
2.3 深入理解对象的访问定位

1：Java虚拟机内存管理

Java虚拟机内存管理示例图
在这里插入图片描述

线程共享区和线程独占区的关系
- 每一个线程都有自己的线程独占区（有栈，程序计数器），所有线程共享线程共享区（堆，方法区）

我们在下面小节一一讲述各个区域块的含义

1.1 程序计数器

程序计数器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。
程序计数器处于线程独占区
如果线程执行的是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native方法，这个计数器的值为undefined
此区域是唯一一个在Java虛拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域

1.2 Java虚拟机栈

定义基本局部变量，栈代码运行完毕，自动释放内存，每个线程私有，不共享，栈不会产生线程安全性问题
Java栈是一块线程私有的空间，一个栈，一般由三部分组成 :局部变量表、操作数据栈和帧数据区
局部变量表：用于报错函数的参数及局部变量
- 存放编译期可知的各种基本数据类型，引用类型，returnAddress类型。
- 局部变量表的内存空间在编译期完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧分配多少内存是固定的，在方法运行期间是不会改变局部变量表的大小
操作数栈：主要保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中的变量临时的存储空间。
- 每个方法执行，都会创建一个栈帧，伴随着方法从创建到执行完成。用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等。
帧数据区:除了局部变量表和操作数据栈以外，栈还需要一些数据来支持常量池的解析，这里帧数据区保存着
访问常量池的指针，方便计程序访问常量池，另外当函数返回或出现异常时卖虚拟机子必须有一个异常处理表，方便发送异常的时候找到异常的代码，因此异常处理表也是帧数据区的一部分

栈溢出举例

public class StackOfOutDemo {

	public void demo() {
		System.out.println("demo");
		demo();
		
	}
	public static void main(String[] args) {
		// TODO Auto-generated method stub

		new StackOfOutDemo().demo();
	}

}

在这里插入图片描述
理解示意图

StackOverflowError
OutOfMemory

1.3 本地方法栈

本地方法栈和虚拟机栈的区别

虚拟机栈为虛拟机执行Java方法服务
本地方法栈为虚拟机执行native方法服务

在HotSpotVM虚拟机中，其实这两个栈区域是合起来的，他们非常相似，上述是本质区别。

1.4 Java堆内存

堆内存用于存放由new创建的对象和数组。在堆中分配的内存，由java虚拟机自动垃圾回收器来管理。在堆中产生了一个数组或者对象后，还可以在栈中定义一个特殊的变量，这个变量的取值等于数组或者对象在堆内存中的首地址，在栈中的这个特殊的变量就变成了数组或者对象的引用变量，以后就可以在程序中使用栈内存中的引用变量来访问堆中的数组或者对象，引用变量相当于为数组或者对象起的一个别名，或者代号。
根据垃圾回收机制的不同，Java堆有可能拥有不同的结构，最为常见的就是将整个Java堆分为
新生代和老年代。其中新生代存放新生的对象或者年龄不大的对象，老年代则存放老年对象。
新生代分为eden区、s0区、s1区，s0和s1也被称为from和to区域，他们是两块大小相等并且可以互相角色的空间。

绝大多数情况下，对象首先分配在eden区，在新生代回收后，如果对象还存活，则进入s0或s1区，之后每经过一次
新生代回收，如果对象存活则它的年龄就加1，对象达到一定的年龄后，则进入老年代。

什么是新生代，老年代？
在这里插入图片描述

1.5 方法区

Java方法区和堆一样，方法区是一块所有线程共享的内存区域，他保存系统的类信息。
比如类的字段、方法、常量池等。方法区的大小决定系统可以保存多少个类。如果系统
定义太多的类，导致方法区溢出。虚拟机同样会抛出内存溢出的错误。方法区可以理解
为永久区。

当它们被声明为static时，它们的生命周期就会和应用程序一样长。（占用内存）

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，自动，方法，接口等描述信息之外，还有一项信息是常量池，它是用来存放编译器生成的各种字面量，以及各种符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池存放。 运行时常量池，java虚拟机规范没有做任何细节要求，不同虚拟机可以按照自己要求来实现这个内存区域，不过，除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中

举例：

public class Test {

	public static void main(String[] args) {
		// TODO Auto-generated method stub
		String string="abc";
		String string2="abc";
		
		String string3=new String("abc");
		System.out.println(string==string2);
		System.out.println(string==string3);
		System.out.println(string==string3.intern());

	}
}

在这里插入图片描述

直接内存：不受Java虚拟机内存制约，但是这部分内存也被频繁的使用，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，还是会受到本机总内存影响

2：对象在内存中的布局

介绍完Java虚拟机的内存区域后，我们知道了内存中放了些什么后，我们就会想更进一步知道他们（对象）是如何创建，如何布局，和如何访问？

2.1 对象的创建

在这里插入图片描述

2.1.1 给对象分配内存

指针碰撞：创建一个对象放到堆内存中，导致占有内存增加，自由的内存空间减少，就叫指针碰撞
空闲列表：虚拟机必须维护一个列表，记录哪些内存块可用，在分配的时候，就从表中找出空闲区域，供对象使用
如何选择哪种内存分配方式呢？
其实内存的分配方式是由Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整又是由垃圾回收器来决定，如果垃圾回收器有自动进行压缩整理功能，在进行垃圾回收时会自动进行压缩整理功能，把内存区域划分成规则的，如果垃圾回收没有这个功能就不可以进行指针碰撞（内存区域划分规则），会进行**空闲列表（内存区域划分不规则）**给对象分配内存

2.1.2 线程安全性问题

实例图告诉你为何产生线程安全性问题？
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如何解决线程安全性问题？

锁
本地线程分配缓冲
示例图

2.2 对象的内存布局

在以前的学习中我们已经接触过很多对象和代码，可是如果深入研究，会发现对象没那么简单

对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：对象头（Header），实例数据（InstanceData）和对齐填充（ Pading）

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(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32bit和.64bit，官方称它为“Mark Word"。对象需要存储的运行时数据很多，其实已经超出了32位、64位Bitmap结构所能记录的限度，但是对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，考虑到虚拟机的空间效率，MarkWord被设计成个一个固定的数据结构以便在极小的空间内存储尽量多的信息，它会根据对象的状态复用自己的存储空间。例如，在32位的HotSpot虚拟机中，如果对象处于未被锁定的状态下，那么MarkWord的32bit空间中的25bit用于存储对象哈希码，4bit用于存储对象分代年龄，2bit用于存储锁标志位，1bit周定为0,而在其他状态(轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向)下对象的存储内容如下图

对象头的另外一部分是类型指针，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。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，换句话说，查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身，另外，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，因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。
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。无论是从父类继承下来的;还是在子类中定义的:都需要记录起来。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、jnts<. shorts/chars、 bytcs/ 7booleans、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，在父类中定义的变量会出现在子类之前。如果CompactFields.参数值为true (默认为.true)，那么子类之中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中。
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。由于HotSpotVM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倍或者?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求补全。

2.3 深入理解对象的访问定位

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。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。

使用句柄
如果使用句柄访问的话 ，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

在这里插入图片描述

直接指针
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相关信息，而reference中储存的直接就是对象地址

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就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动(垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为)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的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Java中非常频繁,因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。