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摘要：運行時數(shù)據(jù)區(qū)域之所以要劃分這么多區(qū)域出來是因為這些區(qū)域都有自己的用途，以及創(chuàng)建和銷毀的時間。，運行時常量池它是方法區(qū)的一部分。直接內(nèi)存直接內(nèi)存并不是虛擬機運行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，也不是虛擬機規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域。
前言
說到JAVA內(nèi)存區(qū)域，可能很多人第一反應是“堆?！?。
首先，堆棧不是一個概念，而是兩個概念，堆和棧是兩塊不同的內(nèi)存區(qū)域，簡單理解的話，堆是用來存放對象而棧是用來運行程序的。
其次，堆內(nèi)存和棧內(nèi)存的這種劃分方式比較粗糙，這種劃分方式只能說明大多數(shù)程序員最關注的、與對象內(nèi)存分配關系最密切的內(nèi)存區(qū)域是這兩塊，Java內(nèi)存區(qū)域劃分實際上遠比這復雜。
對于Java程序員來說，在虛擬機自動內(nèi)存管理機制的幫助下，不再需要為每一個new操作去配對deleted/free代碼，不容易出現(xiàn)內(nèi)存泄漏和內(nèi)存溢出問題。
但是，也正是因為Java把內(nèi)存控制權交給了虛擬機，一旦出現(xiàn)內(nèi)存泄漏和內(nèi)存溢出的問題，就難以排查，因此一個好的Java程序員應該去了解虛擬機的內(nèi)存區(qū)域以及會引起內(nèi)存泄漏和內(nèi)存溢出的場景。
之所以要劃分這么多區(qū)域出來是因為這些區(qū)域都有自己的用途，以及創(chuàng)建和銷毀的時間。有些區(qū)域隨著虛擬機進程的啟動而存在，有的區(qū)域則依賴用戶線程的啟動和結(jié)束而銷毀和建立。
1.線程獨有的內(nèi)存區(qū)域
(1) PROGRAM COUNTER REGISTER,程序計數(shù)器
這塊內(nèi)存區(qū)域很小，它是當前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器，字節(jié)碼解釋器通過改變這個計數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令。Java方法這個計數(shù)器才有值，如果執(zhí)行的是一個Native方法，那這個計數(shù)器是空的。
(2) JAVA STACK,虛擬機棧
生命周期和線程周期相同。每個方法執(zhí)行的同時都會創(chuàng)建一個棧幀，用于存儲局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息，每一個方法從調(diào)用至執(zhí)行完畢的過程，就對應一個棧幀在虛擬機棧中入棧到出棧的過程。棧的大小和具體JVM的實現(xiàn)有關，通常在256K~756Kz之間。
(3) NATIVE METHOD STACK，方法棧
和虛擬機棧起的作用一樣，只不過方法棧為虛擬機使用到的Native方法服務。虛擬機規(guī)范并沒有對這個區(qū)域有什么強制規(guī)定，因此我們使用的HotSpot虛擬機，就干脆沒有這塊區(qū)域了，它和虛擬機棧是一起的。
2.線程間共享的內(nèi)存區(qū)域
(1) HEAP，堆
大多數(shù)應用，堆都是Java虛擬機所管理的內(nèi)存中最大的一塊，它在虛擬機啟動時創(chuàng)建，此內(nèi)存唯一目的就是存放對象實例。由于現(xiàn)在垃圾收集器采用的基本都是分代收集算法，所以堆還可以細分為新生代和老年代，再細致一點還有Eden區(qū)、From Survivor區(qū)、To Survivor區(qū)。
(2) METHOD AREA，方法區(qū)
這塊區(qū)域用于存儲虛擬機加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)，虛擬機規(guī)范是把這塊區(qū)域描述為堆的一個邏輯部分的，但實際它應該是要和堆區(qū)分開的。從上面提到的分代收集算法的角度來看，HotSpot中，方法區(qū)≈永久代。不過JDK7之后，我們使用的HotSpot應該就沒有永久代這個概念了，會采用Native Memory來實現(xiàn)方法區(qū)的規(guī)劃了。
(3) RUNTIME CONSTANT POOL，運行時常量池
它是方法區(qū)的一部分。Class文件中除了有類的版本信息、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項信息就是常量池，用于存放編譯期間生成的各種字面量和符號引用，這部分內(nèi)容將在類加載后進入方法區(qū)的運行時常量池中，另外翻譯出來的直接引用也會存儲在這個區(qū)域中。
(在JVM中，類從被加載到虛擬機內(nèi)存中開始，到卸載出內(nèi)存為止，它的整個生命周期包括：加載、驗證、準備、解析、初始化、使用和卸載7個階段。而解析階段即是虛擬機將常量池內(nèi)的符號引用替換為直接引用的過程。
在Java中，一個java類將會編譯成一個class文件。在編譯時，java類并不知道所引用的類的實際地址，因此只能使用符號引用來代替。而解析階段即是虛擬機將常量池內(nèi)的符號引用替換為直接引用的過程，翻譯出來的直接引用也是存儲在方法區(qū)的運行時常量池中。)
3.直接內(nèi)存
直接內(nèi)存并不是虛擬機運行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，也不是Java虛擬機規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域。但是這部分內(nèi)存也被頻繁地使用，而且也可能導致內(nèi)存溢出的問題。JDK1.4中新增加了NIO，引入了一種基于通道與緩沖區(qū)的I/O方式，它可以使用Native函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存，然后通過一個存儲在Java堆中的DirectByteBuffer對象作為這塊內(nèi)存的引用進行操作。這樣能在一些場景中顯著提高性能，因為避免了在Java堆和Native堆中來回復制數(shù)據(jù)。顯然本機直接內(nèi)存的分配不會受到Java堆大小的限制，但是，既然是內(nèi)存，肯定還是會受到本機總內(nèi)存大小及處理器尋址空間的限制。
我們來看一下在虛擬機層面上創(chuàng)建對象的步驟：
1.虛擬機遇到一條new指令，首先去檢查這個指令的參數(shù)能否在常量池中定位到一個類的符號引用，并且檢查這個符號引用代表的類是否已經(jīng)被加載、解析和初始化。如果沒有，那么必須執(zhí)行類的初始化過程。
2.類加載檢查通過后，虛擬機為新生對象分配內(nèi)存。對象所需內(nèi)存大小在類加載完成后便可以完全確定，為對象分配空間無非是從Java堆中劃分出一個確定大小的內(nèi)存而已。這個地方會有兩個問題：
(1) 如果內(nèi)存是規(guī)整的，那么虛擬機將采用的是指針碰撞法來為對象分配內(nèi)存。意思是所有用過的內(nèi)存在一邊，空閑的內(nèi)存在另一邊，中間放著一個指針作為分界點指示器，分配內(nèi)存就僅僅是把指針向空閑那邊挪動一段與對象大小相等的距離罷了。如果垃圾收集器選擇的是Serial、ParNew這種基于壓縮算法的，虛擬機采用這種分配方式。
(2) 如果內(nèi)存不是規(guī)整的，已使用的內(nèi)存和未使用的內(nèi)存相互交錯，那么虛擬機將采用的是空閑列表法來為對象分配內(nèi)存。意思是虛擬機維護了一個列表記錄了哪些內(nèi)存是可用的，再分配的時候從列表中找到一塊足夠大的空間劃分給實例，并更新列表上的內(nèi)容。如果垃圾收集器選擇是CMS這種基于標記-清除(Mark-Sweep)算法的，虛擬機采用這種分配方式。
簡言之，
垃圾收集器選擇的是Serial、ParNew這種基于Compact(壓縮)算法的，虛擬機采用指針碰撞法為對象分配內(nèi)存；
垃圾收集器選擇是CMS這種基于Mark-Sweep(標記-清除)算法的，虛擬機采用空閑列表法為對象分配內(nèi)存。
另外一個問題即是保證new對象時候的線程安全。因為可能出現(xiàn)虛擬機正在給對象A分配內(nèi)存，指針還沒有來得及修改，對象B又同時使用了原來的指針來分配內(nèi)存的情況。虛擬機采用了CAS配上失敗重試和TLAB兩種方式保證更新操作的原子性來解決這個問題。
(每個線程在Java堆中預先分配一小塊內(nèi)存，成為本地線程分配緩沖區(qū)——TLAB，線程內(nèi)部需要分配內(nèi)存時直接在TLAB上分配就行，避免了線程沖突。只有當緩沖區(qū)的內(nèi)存用光需要重新分配內(nèi)存的時候才會進行CAS操作分配更大的內(nèi)存空間。虛擬機是否使用TLAB，可以通過-XX:+/-UseTLAB參數(shù)來進行配置，但是JDK5及以后的版本默認是啟用TLAB的)
3.內(nèi)存分配結(jié)束，虛擬機講分配到的內(nèi)存空間都初始化為零值(不包括對象頭)。這一步保證了對象的實例字段在Java代碼中可以不用賦初始值就可以直接使用，程序能訪問到這些字段的數(shù)據(jù)類型所對應的零值。
4.對對象進行必要的配置，例如這個對象是哪個類的實例、如何才能找到類的元數(shù)據(jù)信息、對象的哈希嗎、對象的GC分代年齡等信息，這些信息存放在對象的對象頭中。
5.執(zhí)行
建立對象是為了使用對象，我們的Java程序需要通過棧上的reference數(shù)據(jù)來操作對上的具體對象。
比如，Object obj = new Object();而new Object()之后其實有兩部分內(nèi)容：一部分是類數(shù)據(jù)(方法區(qū))、一部分是實例數(shù)據(jù)(堆)。
由于reference類型在Java虛擬機規(guī)范里面只規(guī)定了是一個指向?qū)ο蟮囊?，并沒有定義這個引用應該通過什么方式去定位、訪問到堆中的對象的具體位置，對象訪問方式也是取決于虛擬機實現(xiàn)而定的。主流的訪問方式有使用句柄和直接指針兩種。
1.使用句柄
在Java堆中將會劃分出一塊內(nèi)存來作為句柄池，reference中存儲的就是對象的句柄地址，而句柄中包含了對象實例與類型數(shù)據(jù)的具體各自的地址信息，
2.使用直接指針
使用直接指針訪問的話，Java堆對象的布局中就必須考慮如何放置訪問類型數(shù)據(jù)的相關信息，reference中存儲的直接就是對象地址，
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