JVM内存数据区域分配和使用详解

一、运行时数据区

JVM运行时会将它所管理的内存划分为多个不同的数据区域，按线程私有和线程共享的可分为：
线程私有：虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器
线程共享：方法区（包含运行时常量池）、堆

先借助这张图大概连接下数据结构：

用代码来熟悉

package com.zzq.cilent; public class TestJVM { /*    public static class User{
            public int id = 0;
            public String name = "";
        }*/ //常量 final String chagnliang ="常量";//存放在方法区的静态常量池 //静态变量 static String jtbl ="静态变量";//存放在方法区的静态常量池 //次数 int count =0 ;//存放在堆 public void buy(int money){ money = money -100; //money 存放在局部变量表 count++; if(money < 0) return; buy(money); } public static void main(String[] args)throws Throwable { TestJVM testJVM = new TestJVM();//对象放再对里面，testJVM引用放再局部变量表里面 try { testJVM.buy(10000); }catch (Throwable e){ System.out.println("栈异常！调用方法(buy)的次数()："+testJVM.count); throw e; } } } 

1.程序计数器

指向当前线程正在执行的字节码指令的地址(行号)

为什么需要程序计数器？
Java是多线程的，意味着CPU会进行线程切换，确保线程切换回来时，能接上之前执行的代码执行程序。

2.虚拟机栈

一个个方法的执行，是以栈帧为载体携带局部变量变，动态连接，操作数栈，返回地址进虚拟机栈，出虚拟机栈的形式进行的。
b.栈（stack） 先进后出

JVM为什么用stack？

java中的方法调用机制跟栈的数据结构吻合，比如说在A方法中调用B方法，再在B方法中调用C方法，则C方法最先结束，其次是B，再次是C。方法的调用过程就是入栈，方法的结束就是出栈。
这里详细介绍下虚拟机栈：

• 局部变量表：里面存放方法的局部变量，第0个元素为this，是该类的对象引用
• 操作数栈：存放在方法里面执行程序过程中的一些变量，比如上面的buy方法中，执行将money = money -100的操作，先将money 从局部变量表中复制出来，放到操作数栈，然后将100的值带符号扩展成int值继续放入操作数栈。然后将100和money 出栈交给CPU做相减的操作，然后将相减的结果入操作数栈，在将结果出操作数栈，放到局部变量表给money赋值。
• 返回地址：记录正常返回的地址（异常的话，是通过异常处理器表处理）
• 动态连接：用于支持java的多态。记录对象运行时到底属于哪个类型。

3.本地方法栈

本地方法栈保存的是native方法的信息，当一个JVM创建的线程调用native方法后，JVM不再为其在虚拟机栈中创建栈帧，JVM只是简单地动态链接并直接调用native方法

4.方法区

方法区存放类信息，常量，静态变量，即时编译期编译后的代码

5.堆

存放对象实例（几乎所有的对象），数组
java堆大小参数设置：
-Xmx 堆区内存可被分配的最大上限
-Xms 堆区内存初始化内存分配大小

虚拟机中的对象

（1）对象初始化流程

检查加载——>内存分配——>内存空间初始化——>设置——>对象初始化

• 内存分配 ：按内存的是否规整可分为 指针碰撞分配和空闲列表方式分配。
  内存分配的安全问题
  CAS（比较和交换）：
  问题背景：线程1和线程2同时需要创建对象，此时堆里面有块空间A能分配给线程1或者是线程2
  线程1在分配内存之前会先去堆里面查看该块内存是否为null，如果为null，并记住null（old），然后去准备给该内存分配对象时，会再次获取该内存空间A是否为null，如果为null，则分配，如果不为null，说明该内存地址已经被其他线程抢占，则会另外重新找新的合适内存地址。
  本地线程缓冲：每个线程都会在java堆中有一块空间留给一部分小对象分配。该区域由于是线程独享的，所以不会存在线程安全问题，分配效率比较高。

• 内存空间的初始化：（注意不是构造方法）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(如int值为0，boolean值为false等等)。这一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，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

• 设置属性：接下来，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的对象头之中。

• 对象初始化：在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但从Java程序的视角来看，对象创建才刚刚开始，所有的字段都还为零值。所以，一般来说，执行new指令之后会接着把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

（2）对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。
对象头包括两部分信息，第一部分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。
对象头的另外一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。
第三部分对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot VM的自动内存管理系统要求对对象的大小必须是8字节的整数倍。当对象其他数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

（3）对象的访问定位

建立对象是为了使用对象，我们的Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。

• 句柄
  如果使用句柄访问的话，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。

• 直接指针
  如果使用直接指针访问， reference中存储的直接就是对象地址。
  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行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。
  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。
  对Sun HotSpot而言，它是使用直接指针访问方式进行对象访问的。

（4）对象的访问定位逃逸分析

• 栈上分配
  虚拟机提供的一种优化技术，基本思想是，对于线程私有的对象，将它打散分配在栈上，而不分配在堆上。好处是对象跟着方法调用自行销毁，不需要进行垃圾回收，可以提高性能。
  栈上分配需要的技术基础，逃逸分析。逃逸分析的目的是判断对象的作用域是否会逃逸出方法体。注意，任何可以在多个线程之间共享的对象，一定都属于逃逸对象。

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