一、概述
Java虛擬機(jī)在執(zhí)行Java程序的過程中會(huì)把它所管理的內(nèi)存劃分為若干不同的數(shù)據(jù)區(qū)域，這些區(qū)域都有各自的用途以及創(chuàng)建和銷毀的時(shí)間。Java虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存將會(huì)包括以下幾個(gè)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域，如下圖所示：

下面就每一個(gè)區(qū)域進(jìn)行闡述。

二、運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域
程序計(jì)數(shù)器
程序計(jì)數(shù)器，可以看做是當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。在虛擬機(jī)的概念模型里，字節(jié)碼解釋器工作就是通過改變程序計(jì)數(shù)器的值來選擇下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都要依賴這個(gè)計(jì)數(shù)器來完成。

多線程中，為了讓線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，各條線程之間互不影響、獨(dú)立存儲(chǔ)，因此這塊內(nèi)存是 線程私有 的。

當(dāng)線程正在執(zhí)行的是一個(gè)Java方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器記錄的是在正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令的地址；當(dāng)執(zhí)行的是Native方法，這個(gè)計(jì)數(shù)器值為空。

此內(nèi)存區(qū)域是唯一一個(gè)沒有規(guī)定任何OutOfMemoryError情況的區(qū)域 。

Java虛擬機(jī)棧
Java虛擬機(jī)棧也是線程私有的 ，它的生命周期與線程相同。虛擬機(jī)棧描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個(gè)方法在執(zhí)行的同時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀用于存儲(chǔ)局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈表、方法出口信息等。每一個(gè)方法從調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就對應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧中入棧到出棧的過程。

局部變量表中存放了編譯器可知的各種基本數(shù)據(jù)類型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、對象引用和returnAddress類型(指向了一條字節(jié)碼指令的地址)。

如果擴(kuò)展時(shí)無法申請到足夠的內(nèi)存，就會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。

本地方法棧
本地方法棧與虛擬機(jī)的作用相似，不同之處在于虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行的Java方法服務(wù)，而本地方法棧則為虛擬機(jī)使用到的Native方法服務(wù)。有的虛擬機(jī)直接把本地方法棧和虛擬機(jī)棧合二為一。

會(huì)拋出stackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

Java堆

Java堆是所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建，此內(nèi)存區(qū)域的唯一目的就是存放對象實(shí)例 。

Java堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域。由于現(xiàn)在收集器基本采用分代回收算法，所以Java堆還可細(xì)分為：新生代和老年代。從內(nèi)存分配的角度來看，線程共享的Java堆中可能劃分出多個(gè)線程私有的分配緩沖區(qū)(TLAB)。

Java堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間，只要邏輯上連續(xù)的即可。在實(shí)現(xiàn)上，既可以實(shí)現(xiàn)固定大小的，也可以是擴(kuò)展的。

如果堆中沒有內(nèi)存完成實(shí)例分配，并且堆也無法完成擴(kuò)展時(shí)，將會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。

方法區(qū)

方法區(qū)是各個(gè)線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存儲(chǔ)已被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù) 。

相對而言，垃圾收集行為在這個(gè)區(qū)域比較少出現(xiàn)，但并非數(shù)據(jù)進(jìn)了方法區(qū)就永久的存在了，這個(gè)區(qū)域的內(nèi)存回收目標(biāo)主要是針對常量池的回收和對類型的卸載，

當(dāng)方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需要時(shí)，將拋出OutOfMemoryError異常。

運(yùn)行時(shí)常量池：

是方法區(qū)的一部分，它用于存放編譯期生成的各種字面量和符號引用。

直接內(nèi)存

直接內(nèi)存不是虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，在NIO類中引入一種基于通道與緩沖區(qū)的IO方式，它可以使用Native函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存，然后通過一個(gè)存儲(chǔ)在Java堆中的DirectByteBuffer對象作為這塊內(nèi)存的引用進(jìn)行操作。

直接內(nèi)存的分配不會(huì)受到Java堆大小的限制，但是會(huì)受到本機(jī)內(nèi)存大小的限制，所有也可能會(huì)拋OutOfMemoryError異常。

三、對象的創(chuàng)建、布局和訪問過程
對象的創(chuàng)建

創(chuàng)建一個(gè)對象通常是需要new關(guān)鍵字，當(dāng)虛擬機(jī)遇到一條new指令時(shí)，首先檢查這個(gè)指令的參數(shù)是否在常量池中定位到一個(gè)類的符號引用，并且檢查這個(gè)符號引用代表的類是否已被加載、解析和初始化過。如果那么執(zhí)行相應(yīng)的類加載過程。

類加載檢查通過后，虛擬機(jī)將為新生對象分配內(nèi)存。為對象分配空間的任務(wù)等同于把一塊確定大小的內(nèi)存從Java堆中劃分出來。分配的方式有兩種： 一種叫 指針碰撞 ，假設(shè)Java堆中內(nèi)存是絕對規(guī)整的，用過的和空閑的內(nèi)存各在一邊，中間放著一個(gè)指針作為分界點(diǎn)的指示器，分配內(nèi)存就是把那個(gè)指針向空閑空間的那邊挪動(dòng)一段與對象大小相等的距離。 另一種叫 空閑列表 ：如果Java堆中的內(nèi)存不是規(guī)整的，虛擬機(jī)就需要維護(hù)一個(gè)列表，記錄哪個(gè)內(nèi)存塊是可用的，在分配的時(shí)候從列表中找到一塊足夠大的空間劃分給對象實(shí)例，并更新列表上的記錄。 采用哪種分配方式是由Java堆是否規(guī)整決定的，而Java堆是否規(guī)整是由所采用的垃圾收集器是否帶有壓縮整理功能決定的。 另 外一個(gè)需要考慮的問題就是對象創(chuàng)建時(shí)的線程安全問題，有兩種解決方案：一是對分配內(nèi)存空間的動(dòng)作進(jìn)行同步處理；另一種是吧內(nèi)存分配的動(dòng)作按照線程劃分在不 同的空間之中進(jìn)行，即每個(gè)線程在Java堆中預(yù)先分配一小塊內(nèi)存(TLAB)，哪個(gè)線程要分配內(nèi)存就在哪個(gè)線程的TLAB上分配，只有TLAB用完并分配 新的TLAB時(shí)才需要同步鎖定。

內(nèi)存分配完成后，虛擬機(jī)需要將分配到的內(nèi)存空間初始化為零值。這一步操作保證了對象的實(shí)例字段在Java代碼中可以不賦初始值就可以直接使用。

接下來虛擬機(jī)要對對象進(jìn)行必要的設(shè)置，例如這個(gè)對象是哪個(gè)類的實(shí)例、如何才能找到類的元數(shù)據(jù)信息等，這些信息存放在對象的對象頭中。

上面的工作都完成以后，從虛擬機(jī)的角度來看一個(gè)新的對象已經(jīng)產(chǎn)生了。但是從Java程序的角度，還需要執(zhí)行init方法，把對象按照程序員的意愿進(jìn)行初始化，這樣一個(gè)真正可用的對象才算完全產(chǎn)生出來。

對象的內(nèi)存布局
在HotSpot虛擬機(jī)中，對象在內(nèi)存中存儲(chǔ)的布局可分為三個(gè)部分： 對象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)和對齊填充。

對象頭包括兩個(gè)部分：第一部分用于存儲(chǔ)對象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，如哈希碼、GC分代年齡、線程所持有的鎖等。官方稱之為“Mark Word”。第二個(gè)部分為是類型指針，即對象指向它的類元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機(jī)通過這個(gè)指針來確定這個(gè)對象是哪個(gè)類的實(shí)例。

實(shí)例數(shù)據(jù)是對象真正存儲(chǔ)的有效信息，也是程序代碼中所定義的各種類型的字段內(nèi)容。

對齊填充并不是必然存在的，僅僅起著占位符的作用。、Hotpot VM要求對象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，對象頭部分正好是8字節(jié)的倍數(shù)，所以當(dāng)實(shí)例數(shù)據(jù)部分沒有對齊時(shí)，需要通過對齊填充來對齊。

對象的訪問定位
Java程序通過棧上的reference數(shù)據(jù)來操作堆上的具體對象。主要的訪問方式有使用句柄和直接指針兩種：

句柄：Java堆將會(huì)劃出一塊內(nèi)存來作為句柄池，引用中存儲(chǔ)的就是對象的句柄地址，而句柄中包含了對象實(shí)例數(shù)據(jù)與類型數(shù)據(jù)各自的具體地址信息 。如圖所示：

直接指針：Java堆對象的布局要考慮如何放置訪問類型數(shù)據(jù)的相關(guān)信息，引用中存儲(chǔ)的就是對象地址 。如圖所示：

兩個(gè)方式各有優(yōu)點(diǎn)，使用句柄最大的好處是引用中存儲(chǔ)的是穩(wěn)定的句柄地址，對象被移動(dòng)時(shí)只會(huì)改變句柄中實(shí)例的地址，引用不需要修改、使用直接指針訪問的好處是速度更快，它節(jié)省了一次指針定位的時(shí)間開銷。

以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助。

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