初探 JVM 運行時數據區域

  筆者做爲Java小菜雞，近期在看JVM時發現本身很容易忘記JVM最基礎的部分：運行時數據區域大體劃分，特此摘記下來以便未來重溫。

  話很少說，先上示意圖

  正如圖中所示，JVM數據區大體分爲：程序計數器、Java虛擬機棧、本地方法棧（有些虛擬機廠商會選擇將其與虛擬機棧結合）、Java堆、方法區（包含運行時常量池）以及直接內存（這部分實際上不屬於Java虛擬機，可是在Java堆中有變量DirectByBuffer能夠直接指向該區域）

  依次記錄下本身對這些區域的理解：

• 程序計數器：屬於線程私有的數據區，即每條線程都會有本身的程序計數器，這是一片比較小的內存區域，用來指示當前線程下一條執行的指令字節碼的地址。有一點須要注意的，當線程執行的不是Java方法，而是Native方法的時候，程序計數器會設爲空（Undefined）。
  • 該區域是惟一一片沒有規定任何OutOfMemoryError的區域
• Java虛擬機棧：與程序計數器同樣，是屬於線程私有的，用來記錄Java方法執行的內存模型
  • Java的方法在執行的時候都會爲其建立一個棧幀，棧幀內保存的是此方法的局部變量表、操做數棧、動態連接、方法出入口等，每個方法在執行期間都對應着一個棧幀。
  • 局部變量表中存放的是編譯期間所知的各類數據類型（基本數據類型+對象引用+returnAddress類型），進入方法時，此方法在幀中分配多大的局部變量表就徹底肯定了，而且在運行期間是不會改變變量表的大小的
• 本地方法棧（Native Method Stack）：與虛擬機棧的做用及其類似，當時就筆者理解，Native棧負責記錄的是Native服務或者是其餘方法的信息。在有些虛擬機中會將這部分與虛擬機棧合併（如： Sun Hot Spot）
• Java 堆：分配內存區域最大的一塊，幾乎全部的對象實例都存放在這片區域。特別注意：這塊區域是多條線程共享的區域
  • Java堆也是 GC （Garbage Collection）的主要區域，從GC收集器所使用的 分代收集算法 來看，這一部分又能細分爲：新生代與老生代，再進一步細分能夠劃分爲：Eden空間（永生代 佔比8）、From Survivor 空間（From存活區 佔比1）、To Survivor空間（To存活區 佔比1）。可是從內存分配的角度來看，因爲做爲共享的區域，其也可劃分爲多個線程私有的分配緩衝區（Thread Local Allocation Buffer），也就是咱們俗稱的線程變量副本區域。
  • Java堆不要求使用連續的存儲空間，只需邏輯連續便可
• 方法區（Method Area）：與Java堆同樣，都屬於多條線程共享的內存區域，它主要用於存儲已經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（IL）等數據。
  • 又稱Java 堆的邏輯區，可是與Java堆是由區分的。
  • 能夠選擇不對方法區進行GC。由於此區域GC的出現頻率較低，也主要是針對常量池的回收和已加載類的卸載。
• 運行時常量池（Runtime Constant Pool）：隸屬方法區的一部分，在不少地方會單獨將此部分拿出來討論。
  • Class文件中除了類的基本信息（版本、字段、方法、接口等）還有此類的常量池（存放編譯期間生成的各類字面量和符號引用），而這個常量池即是存放於運行時常量池中的（在類加載後）
  • 運行期間也能夠對常量池進行擴充，例如：String.intern() 將會將此字符串對象的值寫入常量池中並返回其在常量池中的引用。
• 直接內存：筆者的理解，與本地方法區的意圖類似，借用非JVM的內存（本機的內存）進行操做。

  重新建一個對象的角度來看，當new關鍵字出現後，JVM會去檢查new後的類是否已經加載到了方法區中（類的常量池等），若已經加載，則根據其所需內存在Java堆中爲準備進行的實例化操做劃分出一片內存區域。每次分配內存的時候，實際上會根據JVM採用的不一樣的收集器決定其內存的分配方式（取決於收集器是否具備壓縮整理的功能）大體分爲兩種分配方式：

1. 指針碰撞(Bump the pointer) 將內存區域劃分爲兩片區域，一邊是已經分配的內存區，一邊是未分配的，中間依靠一個指針進行內存的分配（須要分配新的內存則將指針向下移動）。這種方式能確保內存分配的規整。
   • 使用常見的Serial、ParNew收集器（帶有Compact過程）會採用此分配方式
2. 空閒列表（Free list）不要求內存的規整，須要維護一個記錄內存分配狀況的列表。
   • 使用基於 標記-清理(Mark-Sweep) 收集算法的收集器（如：CMS）會採用此分配方式

同時，有常見的兩種方案用於保證能支持併發分配內存：對內存分配採用同步的機制以及採用TLAB。在內存分配後，JVM就會對分配的內存空間進行初始化（設爲零值），而後確認該對象的類型、運行狀態等信息（設置對象的對象頭）。在完成上述的步驟後，從JVM的角度看，一個新對象已經生成了，接下來就開始執行程序員設置的init部分，按照咱們的意願對此對象進行初始化了。

補充說明下：

• 對象的內存分配包含三塊區域：對象頭、實例數據、對齊填充。
• 對象的兩種定位方式：句柄和直接指針