深入java内存区域

Posted 2020-10-30 qven

 

　　第一次发布随笔，有点小兴奋，还是进入正题吧。

　　java代码运行一般分为编译期和运行期。编译期负责将.java(如Student.java)编译成.class文件，然后在运行期通过类加载过程（加载，连接（验证，准备，解析），初始化，使用，卸载），类加载阶段将在下一章节进行分析，此处就不在赘述。

　　先来看看java虚拟机运行时数据区图：

　　　　

　　　　　一.线程隔离的内存空间

　　　　　　1.程序计数器　

　　　　　程序计数器是是一块较小的内存空间。它在虚拟机中充当行号指示器的角色。无论是顺序，循环，分支等执行顺序都需要行号指示器来决定当前运行的指令地址，字节码解释器就是通过改变计数器的值来决定下一条字节码指令。在多线程中，一个处理器虽然看似是多条线程同时在执行，但事实上是由于cpu调度器时间片的切换（每个时间片都较短）。若线程A执行一部分未执行完，CPU调度器切换分配时间片给线程B，此时就需要程序计数器来记录线程A最后执行的指令地址以保证再次切换到线程A时能执行正确的指令位置。每个线程都会有一个自己的程序计数器，且程序计数器之间互不影响。

　　　　　　2.java虚拟机栈

　　　　  栈和线程的生命周期是一致的，随着线程的创建而创建，销毁而销毁。栈中主要存储着局部变量表，操作数栈，动态链接和方法出口等，局部变量表中存放着8种基本数据类型以及对象引用，其中long和double类型是64位的，所以在局部变量内存中占2个slot槽位（相当于两个局部变量的内存），对象引用不等同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能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）。线程执行每一个方法的时候都会创建一个栈帧，进入方法即入栈，跳出方法即出栈，方法执行结束后栈帧销毁。

　　　　　　3.本地方法栈

　　　　  本地方法栈和虚拟机栈其实是类似的，区别在于虚拟机栈是针对于java方法而服务的，而本地方法栈是为native方法而服务的（被native修饰的方法一般与平台有关，可移植性不高）。

　　　　　

　　　　二.线程共享的内存空间

　　　　  1.堆

　　　　   堆是所有线程都能够共享的区域，几乎所有的对象和数组都存在此内存空间，它随着虚拟机启动而创建，它也是GC垃圾收集器主要回收的内存。

　　　　　  由于主要存储的是对象，先来探索一下对象是如何创建的，当虚拟机接收到一条new指令的时候，先回检查指令的参数是否能在常量池中找到对应的符号引用，并且检查该符号引用是否有类加载，解析，初始化等。如果没有，执行类加载过程，执行完之后再为该创建好的对象分配内存。

　　　　　 再看看对象的内存布局，它分为对象头，实例数据以及对其填充。其中对象头又分为运行时数据和类型指针。运行时数据包括哈希码，GC分代年龄，锁状态标志，线程持有的锁，偏向线程ID以及偏向时间戳。类型指针是指向类元数据的指针，类元数据是存放在方法区中的类信息（method，field等），但不是所有的对象都会有类型指针。另外数组是一种特殊的对象，它在对象投中还存有记录数组的长度的数据，这与一般的对象不同，一般的对象在类型指针中类元数据记录着对象长度，而数组的类元数据中没有记录长度信息。实例数据才是真正存储对象的有效信息。最后一部分是对其填充，由于HOTSPOT vm自动管理内存中对象起始地址必须是以8位的整数倍，而对象头刚好是8位的整数倍，但实例数据则不一定是8位的整数倍，而对其填充则就是对实例数据的填充，将其填充为8位的整数倍。

　　　　　 对象的访问定位。java中是通过栈中的reference对象引用来操作具体的对象，但reference是如何区定位到具体的对象的，目前是有两种方式来进行定位：

　　　　　　第一种是句柄。栈中的reference指向堆中的分配内存的句柄池，其中句柄池中包含类元数据的地址信息和实例对象的地址信息，分别指堆中的具体对象和方法区中的类元数据。

　　　　　 　　

　　　　另外一种是直接指针。直接指针是reference指向堆中的对象，但对象中的对象头中的类型类型指针指向方法区中的类元数据。

　　　　

　　　　两种方法各有优势，第一种主要是稳定，由于在虚拟机中对象的迁移是很普遍的，了解GC内存回收应该知道，复制算法将堆分为两块其中一块用于存储对象，当需要进行内存回收时，将未回收的对象复制到另一块内存。但对象的迁移对reference是没有影响的，只会改变句柄池中实例数据的地址。第二种主要是性能效率的提升，由于堆中实例数据的地址指针的消失，是对象调用的性能提升，虽然一个不够明显，当堆中对象的访问非常频繁，性能提升还是很明显的。目前采用比较多的还是第二种，但也不是绝对的。

　　　2.方法区

　　　　方法区和堆一样是线程共享的区域，方法区主要存储类的类元数据，静态变量，常量以及即时编译器编译代码等。这个区域一般都称之为永久代，主要是由于很少被full-gc清理。运行时常量池也是方法区的一部分，class文件有部分是常量池，它包括字面量和符号引用（字面量一般是被final修饰在编译期就被转化为的常量，符号引用是直接引用的前生，在连接中解析阶段就是将符号引用解析为直接引用），符号引用转化之后的直接引用以及常量池一起放到运行时常量池。运行时常量池有一个很明显的特征即为动态性，常量池中的常量并不一定只有在编译期才能产生，运行期也有可能会产生常量并将其放入常量池，比如String中的intern()方法。

　　

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　　参考文献：深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（最新第二版）