深入理解Java虚拟机——Java内存区域

笔者将从概念上介绍Java虚拟机内存的各个区域，讲解这些区域的作用、服务对象以及其中可能产生的问题，这是翻越虚拟机内存管理这堵 围墙的第一步。

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。

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
• 在虚拟机的概念模型里（仅是概 念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），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
• 为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，称这类内存区域为“线程私有”的内存
• 如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Natvie方法，这个计数器值则为空 （Undefined）
• 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。

1.2 Java虚拟机栈

• Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程 私有的，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
  • 局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型、对象引用（reference类型，它不等同于 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）
  • 局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一 个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

1.3 本地方法栈

• 本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的
• 虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法 栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。

1.4 Java堆

• Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块
• 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。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例
• Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”（Garbage Collected Heap）
• Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻 辑上是连续的即可

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信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据

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。
• 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，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

1.7 直接内存

• 直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时数据区的一部分，但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致 OutOfMemoryError异常出现
• 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（虚引用）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. 对象访问

Object obj=new Object（）；

• 那“Object obj”这部分的语义将会反映到Java栈的本地变量表中，作为一个reference类型数据出现
• “new Object（）”这部分的语义将会反映到Java堆中，形成一块存储了Object类型所有实例数据值 （Instance Data，对象中各个实例字段的数据）的结构化内存
• 在Java堆中还必须包含能查找到此对象类型数据（如对象类 型、父类、实现的接口、方法等）的地址信息，这些类型数据则存储在方法区中
• reference类型在Java虚拟机规范里面只规定了一个指向对象的引用，并没有 定义这个引用应该通过哪种方式去定位，以及访问到Java堆中的对象的具体位置， 因此不同虚拟机实现的对象访问方式会有所不同，主流的访问方式有两种：使用句柄和直接指针。

2.1 句柄访问

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和类型数据各自的具 体地址信息

使用句柄访问方式的最大好处就是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。

2.2 直接指针访问

如果使用直接指针访问方式，Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference中直接存储的就是对象地址

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，由于对象的访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可 观的执行成本

就本书讨论的主要虚拟机Sun HotSpot而言，它是使用第二种方式 进行对象访问的，但从整个软件开发的范围来看，各种语言和框架使用句柄来访问 的情况也十分常见。

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