JVM之Java内存区域

时间：2023-03-09 22:15:52
JVM之Java内存区域

JVM之Java内存区域

世界上并没有完美的程序，但我们并不因此而沮丧，因为写程序本来就是一个不断追求完美的过程。

一、JAVA内存区域

谈及JAVA虚拟机运行时数据区域就不得不祭出这张经典的图了：

JVM之Java内存区域
图1.1 Java虚拟机运行时数据区

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它管理的内存划分为若干个不同的数据区域，包括：

  1. 线程隔离的数据区
    • 程序计数器
      • 当前线程所执行的字节码的行号指示器；
      • 程序的分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等都依赖于这个计数器；
    • 虚拟机栈
      • 描述Java方法执行的内存模型，每个方法被调用直至执行完毕的过程，都对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程；
      • 栈帧：用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息；
        • 局部变量表：存放了编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，并不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）；
    • 本地方法栈
      • 和虚拟机栈类似，服务于本地（Native）方法；
  2. 所有线程共享的数据区
    • 堆
      • 唯一目的是存放对象实例；
      • 垃圾收集器管理的主要内存区域；
      • -Xmx（最大堆内存），-Xms（初始化分配堆内存）
    • 方法区
      • 存储已被虚拟机加载的类型信息、常亮、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据；
      • 在JDK8以前，HotSpot虚拟机使用永久代来实现方法区，JDK7之后把字符串常量池、静态变量移到堆中，到了JDK8中则使用元空间（Metaspace）来代替永久代。
      • 运行时常量池
        • Class文件中的常量池表（Constant Pool Table）存放的编译器生成的各种字面量与符号引用等信息，在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。
        • 常量不一定只有编译期才能产生，运行期间也可以将新的常量放入池中，如String类的intern()方法。

二、对象的创建过程

当Java虚拟机遇到一条new指令时，是如何创建一个对象的？

  1. 首先根据这个指令的参数在常量池中定位到一个类的引用；
  2. 检查这个符号引用对应的类是否已经被加载、解析和初始化过？
    • 若没有：先执行相对应的类加载过程
  3. 类加载检查通过后，虚拟机为新生对象在堆中分配内存；
    • 若堆中内存是绝对规整的，则采用“指针碰撞法”；
    • 若堆中内存不规则，则采用“空闲链表法”；
    • 问题：对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的，可能出现正在给对象A分配内存，指针还没来得及修改，对象B又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。解决方法：
      1. 对分配内存空间的动作进行同步处理：采用CAS加上失败重试的方式来保证更新操作的原子性；
      2. 使用本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer， TLAB），即每个线程在堆中预先分配了一小块内存，哪个线程要分配内存，就在哪个线程的本地分配缓冲中分配，只有本地缓冲区用完了，分配新的缓冲区时才需要同步锁定。（-XX:+/-UseTLAB）
  4. 将分配到的内存空间（不包括对象头）都初始化为零值，设置对象头（哪个类的实例、如何找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等）；
  5. 执行构造函数，即Class文件中的<init>()方法，按照程序员的意愿对对象进行初始化，至此一个真正可用的对象才算呗完全构造出来。

表2.1 HotSpot虚拟机对象头Mark Word

存储内容 标志位 状态
对象哈希码、对象分代年龄 01 未锁定
指向锁记录的指针 00 轻量级锁定
指向重量级锁的指针 10 膨胀（重量级锁定）
空，不需要记录信息 11 GC标记
偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄 01 可偏向

这块内容暂时不理解，待后续完善~

三、对象的访问定位

Java程序会通过栈上的reference数据来操作堆中的具体对象。

对象的主流访问方式主要有两种：使用句柄和直接指针。

  1. 使用句柄
    • Java堆中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的实例数据和类型数据各自具体的地址信息。
    • 好处：reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动后（GC时移动对象）只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要被修改。
  2. 直接指针
    • Java堆中的对象需要存放访问类型数据的相关信息，而reference存储的直接就是对象地址。
    • 好处：速度更快，节省了一次指针定位的时间开销（HotSpot虚拟机主要使用此种方式）。

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