JVM 内存对象管理

Posted 2021-02-27 liang1101

先来看一下 JVM 说管理的内存图：

　　

　　程序计数器

它是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当先线程所执行的字节码的信号指示器。

每一条JVM线程都有自己的PC寄存器，各条线程之间互不影响，独立存储，这类内存区域被称为“线程私有”内存

此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

方法区

是被各个线程共享的内存区域，用于存储以被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然这个区域被虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它的别名叫非堆，用来与堆做一下区别。

方法区在虚拟机启动的时候创建。方法区在实际内存空间中可以是不连续的。

当方法区无法满足内存分配需求时就会抛OutOfMemoryError。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）

它是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，还有一项信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。Java虚拟机对Class文件的每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格的规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求，这样才 会被虚拟机认可、装载和执行。但对于运行时常量池，Java虚拟机规范没有做任何细节的要求，不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个内存 区域。不过，一般来说，除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只能在编译期产生，也就是并非预置入 Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的 intern()方法。既然运行时常量池是方法区的一部分，自然会受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

　　虚拟机栈

虚拟机栈也是线程私有的。每一个JVM线程都有自己的java虚拟机栈，这个栈与线程同时创建，它的生命周期与线程相同。

虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

默认是采用固定大小的JVM stack设计，那么每一条线程的JVM Stack容量应该在线程创建时独立地选定。JVM实现应该提供调节JVM Stack初始容量的手段；如果采用动态扩展和收缩的JVM Stack方式，应该提供调节最大、最小容量的手段。

如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度将抛出StackOverflowError；

　　本地方法栈

　　和虚拟机栈类似，只是它只为虚拟机用到的Native方法服务

　　堆

　　虚拟机管理的内存中最大的一块，同时也是被所有线程所共享的，它在虚拟机启动时创建，这货存在的意义就是存放对象实例，几乎所有的对象实例以及数组都要在这里分配内存。这里面的对象被自动管理，也就是俗称的GC（Garbage Collector）所管理。用就是了，有GC扛着呢，不用操心销毁回收的事儿。

Java堆的容量可以是固定大小，也可以随着需求动态扩展（-Xms和-Xmx），并在不需要过多空间时自动收缩。

Java堆所使用的内存不需要保证是物理连续的，只要逻辑上是连续的即可。

JVM实现应当提供给程序员调节Java 堆初始容量的手段，对于可动态扩展和收缩的堆来说，则应当提供调节其最大和最小容量的手段。

如果堆中没有内存完成实例分配并且堆也无法扩展，就会抛OutOfMemoryError。

对象管理

        虚拟机遇到一条new指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在方法区中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。

        在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定，为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。假设Java堆中内存是绝对规整的，所有用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另外一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式成为：“指针碰撞”(Bump the Pointer)。如果Java对中的内存并不是规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录，这种分配方式成为：“空闲列表”(Free List)。选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定，而Java对是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。因此，在使用Serial、ParNew等待Compact过程的收集器时，系统采用的分配算法时指针碰撞，而是用CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器时，通常采用空闲列表。

对象内存布局

 

　　对象在内存中的布局可以分为三个区域：对象头（Header），实例数据（Instance Data），对齐填充（Padding）

 

　　对象头（Header）

 

　　HotSpot虚拟机的对象头包括两部分的信息

 

第一部分存储对象自身的运行时数据，如哈希码，GC分代年龄，锁状态标识，线程持有的锁，偏向线程ID，偏向时间戳。这部分数据的长度在32位和64位虚拟机中的长度为32bit和64bit

 

另一部分是类型指针，即对象指向他的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针确定这个对象是哪个类的实例。如果Java对象是一个数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据。

 

　　实例数据（Instance Data）

 

       真正存储的有效信息。也是程序代码中定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的，还是从子类中定义的，都需要记录起来。

 

　　这部分的存储信息会受到虚拟机分配策略参数（FieldsAllocationStyle）和字段在Java源码中定义的顺序的影响。

 

　　对齐填充（Padding）

 

       对齐填充不是必然存在的，没有特别的含义，仅仅起着占位符的作用。HotSpot要求对象其实地址必须是8的整数倍。对象头部分正好是8字节的倍数，而实例数据部分则不一定，所以这部分需要对齐填充。

 

对象的访问定位

 

     句柄访问方式：java堆中将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实例数据和类型数据各自的具体地址信息。

　　

　　指针访问方式：reference变量中直接存储的就是对象的地址，而java堆对象一部分存储了对象实例数据，另外一部分存储了对象类型数据。

　　　

　　总结：

　　这两种对象访问方式各有优势，使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动(垃圾收集时移动对象是非常普遍的)时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改；而缺点是访问对象时需从句柄池中获取具体位置后再定位具体的内容，由于对象的访问在java中非常频繁，故这类开销积少成多也是一项非常可观的执行成本。

        使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销。我们常用的Sun HotSpot虚拟机而言，它是使用第二种方式进行对象的访问的。