深入JAVA虚拟机之运行时数据区

Posted 2021-01-02

前言
最近在啃一本书《深入JAVA虚拟机》，这本书不是第一次看，可以说是从大学就开始看，
这一次应该算第三次啃这本书，也应该说算是第一次真正啃这本书。大学的时候，只是好奇表层的一些神奇现象，随着工作几年后，现在回过头来再次啃这本书，对于表层的那些以前觉得神奇的现在已经感觉乏味，反而对于底层是如何实现、如何运作的越来越着迷。这也是这次看这本书的初衷。通过写博客记录下自己的学习过程，也方便以后回头看看现在的看法想法在将来会变成怎样。如果我在下面的文字表述上或者理解上有误解或者错误，请各位大神能够留言指正，如果有跟我一样爱好的同学，也欢迎留言探讨，相互学习。

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概述

       对于c/c++开发者而言，他们对内存管理拥有最高权利，但是需要干最多“活”的劳动
人民。他们担负者每一个对象生命周期从开始到结束的责任(需要分配内存，回收内存)。
对于java开发者而言，这些苦逼的活不需要做，因为都交给JVM的**自动内存管理机制**
去做了。有句调侃的话叫：人生苦短，我用XXXX.那么java开发者真就轻松了吗？
不！虽然把内存管理交给JVM去做了，但要是程序一旦出先内存泄漏、内存溢出等问题，
如果不清楚虚拟机是如何使用内存的，那么排除错误将会比他们更加苦逼。

运行时数据区

java虚拟机在执行程序过程中，会把**管理的内存**，划分为多个**数据区**。它们都有特
定的用途。包括：方法区，堆，程序计数器，虚拟机栈，本地方法栈，运行时常量池，直
接内存

1.程序计数器

它是一块很小的内存。作用可看作是：当前线程所执行的字节码的行号指示器。字节码解
释器就是通过它获取一条需要执行的字节码指令。java虚拟机多线程是通过线程轮流切换
并分配处理器时间来实现的，在确定的时间一个处理器，只会执行一条指令。所以为了线
程在切换时能够回到在正确的位置，每一个线程都有独立的程序计数器，是当前线程私有
的。各个线程之间的计数器是互不影响，独立存储的，称之为线程私有的内存区域。
    特点：
        线程间互不影响，独立存储。

2.虚拟机栈

它也是线程私有的，生命周期与线程相同，是java方法执行时的内存模型。每个方法执
行时，都会创建一个栈幀，用于存储局部变量表、操作栈、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基本数据类型，对象引用和return Address类型。

3.本地方法栈

为虚拟机使用native方法服务。它的作用和虚拟机栈非常相似，不同点就是服务的对象
不同，前者是给java方法服务，而后者是给native方法服务。

4.java堆

是java虚拟机中管理最大的一块内存区域。是被所有线程所共享的内存区域。在虚拟机
启动时创建，唯一目的就是存储对象实例。是java垃圾收集器的主要管理区域，这里又
被成为GC堆。从内存回收来看，现在的垃圾收集器实现大都是使用分代收集算法，
所以java堆还可以细分为：新生代，老年代，再细分为：eden空间，from servivor空间，
To Servivor空间。该片内存，可以在物理上不是连续的，只要逻辑上连续即可。
可动态扩展的（-Xms,-Xmx）。

5.方法区

所有线程共享，用于存储虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即使编译的代码等数据。

运行时常量池
是方法区的一部分。class文件内除了有类的版本信息、字段、方法、接口等描述信息外，
还有一项常量池。这个常量池用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，在类加载后
存放到方法区。

6.直接内存

并不是运行时数据区内存中的一部分，也不是虚拟机规范定义的内存，因为频繁使用，也
可能出现OutOfMemoryError异常。在jdk1.4加入的NIO类，引入了一种基于通道/缓冲区
的I/O方式，它可以使用native函数库直接分配堆外内存，通过存储在java堆中
的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。

图示：

总结：
    1.程序计数器，是线程私有的，线程间相互独立，是唯一一个不会抛出OutOfMemoryError异常的运行时数据区。
    2.虚拟机栈，是线程私有的，与线程生命周期相同，是方法执行时的内存模型，通常说的栈内存指的就是这个
    虚拟机栈。
    3.本地方法栈，与虚拟机栈非常相似，服务对象不同，一个是服务Native方法，一个是服务Java方法。
    4.Java堆，最大的一块内存，线程共享区，虚拟机启动时创建，垃圾收集器的主要用武之地，所以这里又叫
    GC堆。可动态扩展。
    5.方法区，所有线程共享，记录虚拟机加载的类信息，常量、静态变量、即时编译的代码。

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现在也已经清楚了运行时数据区的职责划分，那么现在可以开始讨论java是如何访问对象的。

• 对象访问

java中对象访问随处可见，那么你知道它是怎么实现访问对象的吗？在java中就算最简单的对象访问都必然会
涉及到java栈、java堆、方法区这三个最重要的内存区域。举例如下：

Object obj = new Object();

假设上面语句出现在一个方法体内，Object obj会被反映到java栈，作为一个reference类型数据出现。
而new Object()会反映到java堆中，在java堆中，开辟出一块存储object类型实例数据值的结构化内存，java堆中
还必须要保存对象类型数据的地址信息，而对象类型数据就保存在方法区内。

但是因为reference类型在java虚拟机规范中说指向一个对象的引用，并没有说明该引用通过什么方式去定位和如何访问java堆中的对象具体位置。根据不同的虚拟机实现，会有不同的方式，主流的方式就两种：句柄、直接指针
下面是两种方式的示意图：