1、运行时数据区域

Java 虚拟机 在执行 Java 程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途。

1.1 程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前 线程 所执行的 字节码 的行号指示器 。

作用 ：

（1） 字节码解释器工作 时就是通过改变这个 计数器 的值来选取下一条需要执行的字节码指令，它是程序控制流的指示器。

（2）还有一个很重要的作用就是—— 线程恢复 ，在并发如此流行的时代，线程的上下文切换是常有的事。假如发生了线程上下文切换，如何能让线程恢复之前运行的状态？就需要依赖程序计数器来完成。

特点 ：

（1）就根据刚刚 线程恢复 这个作用就能推断出来， 程序计数器是线程私有的， 生命周期 和线程一样 。

（2）当执行 Java 方法时，程序计数器中保存的值就是 正在执行的 虚拟机 字节码指令的地址 ；当执行本地方法时（用 native 关键字修饰的方法），程序计数器中保存的值就是 为空 。

（3）程序计数器是唯 一一个在《Java虚拟机规范》中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

1.2 Java 虚拟机栈

虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的线程内存模型。

作用 ：

每个方法被执行的时候，Java 虚拟机都会同步创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储 局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口 等信息。

每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

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、对象引用、returnAddress 类型。

特点 ：

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 异常；如果 Java 虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出 OutOfMemoryError 异常。

注意：HotSpot 虚拟机的栈容量是不可以动态扩展的，以前的 Classic 虚拟机倒是可以。

Java 虚拟机栈是线程私有的，生命周期和线程一样 。

1.3 本地方法栈

和 Java 虚拟机栈类似，只不过 Java 虚拟机栈面向的是 Java 方法，而本地方法栈面向的是本地方法。

注意：有的 Java 虚拟机（譬如 Hot-Spot 虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

作用 ：

和 Java 虚拟栈一样，面向的对象不同而已。

特点 ：

与虚拟机栈一样，本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常

本地方法栈是线程私有的，生命周期和线程一样 。

1.4 Java 堆

是虚拟机所管理的内存中最大的一块。此内存区域的唯一目的就是 存放对象实例 ，Java 世界里 几乎 所有的对象实例都在这里分配内存。

为什么是说几乎呢？

由于 即时编译技术 的进步，尤其是 逃逸分析技术 的日渐强大， 栈上分配、标量替换 优化手段已经导致一些微妙的变化悄然发生，所以说 Java 对象实例都分配在堆上也渐渐变得不是那么绝对了。

作用 ：

对象实例的内存分配，垃圾收集器管理的主要内存区域，会采用分代设计划分区域。

特点 ：

（1）Java 堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。

（2）如果在 Java 堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java 虚拟机将会抛出 OutOfMemoryError 异常。

1.5 方法区

方法区（Method Area）与 Java 堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的 类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存 等数据。

注意 ：

我们平常基本用的就是 HotSpot 虚拟机。方法区就相当于是一个规范，具体如何实现由虚拟机自行定义（就相当于接口和实现类的关系）。

• 在 JDK 1.7，HotSpot 虚拟机对方法区的实现是 永久代 。
• 在 JDK 1.8，HotSpot 虚拟机对方法区的实现是 元空间 。

到 JDK 1.8 后，元空间是存储位置变成了本地内存，也就是从堆中移出了，并不是 JVM 的内存。

字符串 常量池、静态变量 还在堆中，运行时常量池还在元空间中。

特点 ：

如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出 OutOfMemoryError 异常。

1.6 运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。

Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，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。

特点 ：

（1）具备动态性，例如调用 String 类 的 intern() 方法即可将值放入运行时常量池中。

（2）当常量池无法再申请到内存时会抛出 OutOfMemoryError 异常。

1.7 直接内存

在 JDK 1.4 中新加入了 NIO（New Input/Output） 类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区 （Buffer）的 I/O 方式，它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在 Java 堆里面的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了 在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据。

2、对象探秘

以最常用的虚拟机 HotSpot 和最常用的内存区域 Java 堆为例。

2.1 对象的创建

这里的创建对象仅仅限于普通 Java 对象，不包括数组和 Class 对象。

因为数组的创建是不会触发类加载的。

（1） 检查阶段 。

当 Java 虚拟机遇到一条字节码 new 指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到 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、解析和初始化过 。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程，

（2） 分配内存阶段 。

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实际上便等同于把一块确定大小的内存块从 Java 堆中划分出来。

划分内存有两种方式 ：

（1） 指针碰撞 。假设 Java 堆中内存是绝对规整的，所有被使用过的内存都被放在一 边，空闲的内存被放在另一边，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 个指针向空闲空间方向挪动一段与对象大小相等的距离。

（2） 空闲列表 。但如果 Java 堆中的内存并不是规整的，已被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起，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。（这里如何找也是一个问题，可以联系其操作系统中内存块的分配，到底是 首次适配呢，还是最佳适配又或者是最差适配 。我并没有寻找到答案）

选择哪种分配方式由 Java 堆是否规整决定，而 Java 堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有空间压缩整理（Compact）的能力决定。

当使用 Serial、ParNew 等带压缩整理过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，既简单又高效；

而当使用 CMS 这种基于清除 （Sweep）算法的收集器时，理论上就只能采用较为复杂的空闲列表来分配内存。

另一个需要考虑的问题： 线程安全问题 。

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。

两种解决方案：

（1）CAS 方式。对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机是采用 CAS 配上失败重试 的方式保证更新操作的原子性；

（2）TLAB 方式。把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在 Java 堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），哪个线程要分配内存，就在哪个线程的本地缓冲区中分配，只有本地缓冲区用完 了，分配新的缓存区时才需要同步锁定。

（3） 初始化阶段 。

虚拟机必须将分配到的内存空间（但不包括对象头）都初始化为零值，如果使用了 TLAB 的话，这一项工作也可以提前至 TLAB 分配时顺便进行。

这步操作保证了对象的实例字段在 Java 代码中可以不赋初始值就直接使用，使程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

（4） 进行必要设置 。

例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码（实际上对象的哈希码会延后到真正调用Object.hashCode() 方法时才 计算）、对象的 GC 分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头（Object Header）之中。

（5） 执行 构造方法 。

对象创建才刚刚开始——构造函数，即 Class 文件中的 <init>() 方法还没有执行，所有的字段都为默认的零值，对象需要的其他资源和状态信息也还没有按照预定的意图构造好。

这样一个真正可用的对象才算完全被构造出来 。

《深入理解 Java 虚拟机》上有源码来验证这一过程。

2.2 对象的内存布局

对象在堆内存中的存储布局可以划分为三个部分：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

对象的第一部分是对象头部分 ：

对象头部分包括两类信息：

（1）第一类是用于存储对象自身的运行时数据，如 哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳 等，这部分数据的长度在 32 位和 64 位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为 32 个比特和 64 个比特，官方称它为 Mark Word。

（2）第二类是 类型指针 ，即对象指向它的类型元数据的指针，Java 虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。并

不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，换句话说，查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身。此外，如果对 象是一个 Java 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，因为虚拟机可以通过普通 Java 对象的元数据信息确定Java 对象的大小，但是如果数组的长度是不确定的，将无法通过元数据中的信息推断出数组的大小。

对象的第二部分是实例数据部分 ：

实例数据部分是对象真正存储的有效信息，即我们在程序代码里面所定义的各种类型的字段内容，无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的字段都必须记录起来。

对象的第三部分是对齐填充 ：

这并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着 占位符 的作用。由于 HotSpot 虚拟机的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是 8 字节的整数倍，换句话说就是任何对象的大小都必须是8字节的整数倍。

2.3 对象的访问定位

创建对象自然是为了后续使用该对象，我们的 Java 程序会通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。

主流的访问方式主要有使用句柄和直接指针两种 ：

（1） 句柄访问

Java 堆中将可能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 中包含了对象实例数据与类型数据各自具体的地址信息。

（2） 直接指针访问

Java 堆中对象的内存布局就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference 中存储的直接就是对象地址，如果只是访问对象本身的话，就不需要多一次间接访问的开销。

对比 ：

• 使用句柄来访问的最大好处就是 reference 中存储的是稳定句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而 reference 本身不需要被修改。
• 使用直接指针来访问最大的好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象访问在 Java 中非常频繁，因此这类开销积少成多也是一项极为可观的执行成本。

HotSpot 虚拟机使用直接指针来访问对象 。