JVM详解之JVM的内存区域

一、JVM是什么

1 概述

Jvm是Java Virtual Machine 的缩写，通俗来讲，JVM就是为Java程序提供运行环境的虚拟机

java文件的执行不直接在操作系统上执行，而是通过jvm虚拟机执行，所以其具有跨平台的特性

2 JVM运行流程

3 JVM的组成

3-1 类加载器

类加载器的作用是加载类文件到内存。执行一个.java程序时，通过javac命令进行编译，生成.class文件

字节码文件通过类加载器加载到内存中，通过jvm后续的模块进行加载执行程序

3-2 执行引擎

执行引擎也叫解释器，负责解释命令，提交操作系统执行

3-3 本地接口

其作用是融合不同的编程语言为java所用，一般用于与硬件有关的应用

3-4 运行时数据区

整个JVM的重点。我们所有写的程序都被加载到这里，之后才开始运行。

整个JVM框架由加载器加载文件，然后执行器在内存中处理数据，需要与异构系统交互是可以通过本地接口进行

二 JVM的内存区域

内存区域就是运行时数据区。在JVM的自动内存管理机制下，不需要为每一个对象手动释放内存，不容易出现内存泄露或溢出的问题。

1. 运行时数据区的结构

2 程序计数器

程序计数器是Java虚拟机中一块线程私有的内存区域，

作为当前线程执行字节码的行号指示器，通过改变其值来选取下一条要执行的字节码指令，支持线程恢复功能。

在JVM多线程切换时，每个线程需要有独立的程序计数器以记录各自的执行位置，互不影响。

执行Java方法时，它记录字节码指令地址，执行Native方法时，程序去计数器为空。

因为此时Java虚拟机调用的是和操作系统相关的接口，接口的实现不是Java语言，而是C语言和C++

它的生命周期随着线程的创建而创建，随着线程的结束而结束

3 Java虚拟机栈

Java虚拟机栈是每个线程私有的"内存草稿本“，专门记录Java方法是如何运行的。每个方法就像一张草稿纸（栈帧），方法开始时拿一张写，结束时扔掉。

Java虚拟机栈专门管理Java代码的执行

4 本地方法栈

专门管理外部Native(非Java)代码的执行，内部通过栈帧管理。

在HotSpot虚拟机只有“Java虚拟机栈”这一个栈，但它在处理Java方法和Native方法时会使用不同的逻辑，但内存管理机制是统一的。

5 Java堆

Java堆是JVM中最大的一块共享内存（启动时创建），专门存放对象实例和数组，也是垃圾收集器管理的主要区域。因采用分代回收算法，分为新生代和老年代，目的是优化内存回收和分配。

6 方法区

方法区是共享的内存区域，用于存储类信息，常量，静态变量，即使编译器优化后的代码等，是堆的逻辑部分

特性：内存要求宽松，垃圾回收可选且困难。

双引号字符串存于常量池中，new字符串在堆中，inter()方法返回常量池中字符串的引用

6-1 运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本，字段，方法，接口等描述信息外，还有常量池信息（用于存储编译期生成的各种字面量和符号引用）。

7 直接内存。

直接内存不属于JVM运行时数据区的一部分，但是这部分内存区域被频繁的调用，也可能发生OutMemoryError异常。

三、Java对象的创建过程

Java对象创建流程：

1. 类加载过程

虚拟机遇到一条new指令时，先检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到这个类的符号引用，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

类加载检查通过后，虚拟机需要在Java堆中为对象分配内存。分配方式取决于堆内存是否规整，而规整性由垃圾收集器决定。

2-1 指针碰撞：

​ 堆内存规整时，用指针分隔已用与空闲内存，分配时只需移动指针即可

2-2 空闲列表

​ 堆内存不规整时，虚拟机维护可用内存块列表，分配时查找并更新列表

2-3 并发分配内存需解决线程安全问题

​ CAS+失败重试：通过比较和交换机制确保操作原子性，若旧值未变，则更新为新值，否则重试

​ TLAB（本地线程分配缓冲）：为每个线程分配私有内存，线程在专属空间内存分配内存，减少同步开销

3. 初始化零值

内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值，这一步操作保证了对象的实例字段在java代码中可以不赋予初始值就直接使用。

4. 设置对象头

初始化零值完成之后，虚拟机要对对象进行必要的设置，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，对象的GC分代年龄等信息。

这些信息存放在对象头中。

5. 执行init方法

上面工作都完成后，所有的字段都还为零。执行new指令后会接着执行Init方法，把对象按照程序员意愿进行初始化。

四、 对象的访问定位

建立对象就是为了使用对象，我们的Java程序通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。对象的访问方式由虚拟机实现而定，目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种

1. 使用句柄

如果使用句柄，那么Java堆中将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的具体地址信息

2 直接指针

如果使用直接指针访问，那么Java堆对象的布局中就必须考虑如何防止访问类型数据的相关信息，而reference中存储的直接就是对象的地址

2-1 使用句柄访问的好处：

reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。

2-2 使用直接指针访问的好处：

速度更快，节省了一次指针党委的时间开销。