一文帶你瞭解 JVM 的內存區域

對於 Java 程序員來講，在 JVM 自動內存管理機制的幫助下，再也不須要爲每個 new 操做去寫對應的 delete/free 代碼，不容易出現內存泄露和內存溢出的問題。不過正因如此，若是不瞭解虛擬機是怎樣使用內存的，一旦出現內存泄露和內存溢出的問題，那麼排查錯誤將會很是艱難。

一. 內存區域

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虛擬機在執行 Java 程序的過程當中會把它管理的內存劃分爲若干個不一樣的數據區域，這些區域各司其職

1. 線程私有

下面這 3 個區域都是線程私有的區域，每一個線程獨佔一份

（1）程序計數器

• 當前線程所執行的字節碼的行號指示器
• 經過改變計數器的值來選取下一條執行的字節碼指令
• 幫助完成分支，循環，跳轉，異常處理，線程恢復等基礎功能
• 多線程環境中，爲了正常完成線程的切換，使得各個線程能恢復到正確的執行位置，所以每條線程都須要一個程序計數器
• 惟一一個不會出現 OutOfMemoryError 狀況的區域

（2）虛擬機棧

• 每一個方法執行時都會建立一個棧幀，當方法被調用，棧幀入棧，方法執行完成，出棧
• 每一個棧幀存儲局部變量表，操做棧，動態連接，方法出口等
• 局部變量表存儲了當前方法的局部變量，包括基本數據類型，對象引用（指針）以及 returnAddress 類型（指向一條字節碼指令的地址）
• 可能出現的兩種異常： StackOverflowError：棧溢出，線程請求的棧深度大於虛擬機容許的深度
  OutOfMemoryError：內存溢出，若是虛擬機棧能夠動態擴展，那麼若是擴展時沒法申請到足夠的內存，則拋出異常

（3）本地方法棧

• 做用，運行機制，異常類型等與虛擬機棧相同
• 爲 native 方法服務
• 不少虛擬機中，本地方法棧和虛擬機棧合二爲一

2. 線程共享

下面兩個爲線程共享的區域

（4）堆

• 虛擬機管理的內存中最大的一塊
• 存放對象實例
• 垃圾回收器管理的主要區域，也被稱爲 GC 堆，並所以能夠細分爲新生代和老年代
• 能夠處於不連續的空間中
• 當沒有內存完成實例分配，堆也沒法擴展時，拋出 OutOfMemoryError

（5）方法區

• 存儲已被虛擬機加載的類信息，常量，靜態變量，即時編譯器編譯後的代碼等
• 垃圾回收行爲在這個區域不多出現，所以也被稱做爲「永久代」

值得注意的是，從 Java 8 開始，方法區被移除，取而代之的是一個叫元空間（Metaspace）的區域

（6）運行時常量池

• Java 6 及以前屬於方法區的一部分；Java 7 後被移入堆區域
• 存放編譯器生產的各類字面量和符號引用，在類加載時期存入運行時常量池

二. 瞭解 Java 對象

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1. 對象的建立

對象的建立過程當中有如下幾大步驟：

（1）類加載檢查

當虛擬機遇到一個 new 指令，說明要建立對象了；但在建立對象以前，會先去檢查這個類是否已經加載過，解析和初始化過，若是沒有，則先執行類加載過程

（2）分配內存

在堆中劃分出一塊肯定大小的內存，分配方式有兩種

分配方法：

• 指針碰撞：使用這種方法，堆內存必須是規整的（用過的放一邊，空閒的放一邊），而後中間放一個指針做爲分界點。分配內存時只須要將指針挪一段與對象大小相等的距離便可
• 空閒列表：若是堆內存不規整，就只能使用空閒列表法了。JVM 維護一個列表來記錄內存塊的使用狀況；分配時找到一塊足夠大的空間劃分給對象而後更新表記錄便可

保證線程安全：

爲了保證線程安全，避免同一塊區域同時分配給多個對象，一般使用兩種方法

• CAS：每當要寫入數據時，先比較當前值（工做內存）與主內存中的值是否一致，是則進行寫入，不然從新獲取值
• TLAB：每一個線程預先分配一小塊內存，稱爲本地線程分配緩衝（TLAB）；若是某個線程的 TLAB 用完，須要分配新的 TLAB，這些則須要進行同步鎖定

（3）初始化零值

將分配到的內存空間都初始化爲零值；這樣可使得對象在代碼中不賦初始值就直接使用

public class Person {
    int age;

    public static void main(String[] args) {
        Person person = new Person();
        System.out.println(person.age);
    }
}
複製代碼

相似這樣的狀況，age 被默認賦值爲 0

（4）設置對象頭

將類的自身運行時數據（HashCode，GC 分代年齡，鎖狀態標誌等）；類型指針（指向類元數據，肯定是哪一個類的實例）存放在對象頭中

（5）執行 init 方法

前面幾步完成後，對於虛擬機，一個新對象已經產生了，但對於 java 程序，須要執行 init 方法後，一個真正的對象才徹底產生出來

二. 對象的內存佈局

堆裏面存放的是對象實例，對象實例由三個部分組成

• 對象頭：存儲自身運行時數據（HashCode，GC 分代年齡，鎖狀態標誌等）；類型指針，指向類元數據（肯定是哪一個類的實例）
• 實例變量：記錄對象的各類屬性數據信息
• 填充數據：用於對齊字節（JVM 對對象起始地址的字節數有要求，是8字節的整數倍