概述

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。这些区域有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而一直存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

根据《Java 虚拟机规范》的规定，Java 虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域

在 hostport JDK1.8 之前，JVM 的内存分三大块，新生代、老年代、永久代。其中前两块在堆中，后一块在方法区中。在 JDK1.8 及以后，移除了永久代使用了 Meta Space。

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。记录执行到哪一块了。

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。。

在 Java 虚拟机的概念模型里，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，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

由于 Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。因此，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，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为 “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；如果正在执行的是本地（Native）方法，这个计数器值则应为空（Undefined）。

Java 堆

对于 Java 应用程序来说，Java 堆（Java Heap）是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 世界里 “几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。

在《Java 虚拟机规范》中对 Java 堆的描述是：“所有的对象实例以及数组都应当在堆上分配”，而这里笔者写的“几乎”是指从实现角度来看，随着 Java 语言的发展，现在已经能看到 些许迹象表明日后可能出现值类型的支持，即使只考虑现在，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。

Java 堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的 Java 虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过参数-Xmx 和-Xms 设定）。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。

几个概念

  • 堆大小 = 新生代 + 老年代。堆的大小可通过参数–Xms（堆的初始容量）、-Xmx（堆的最大容量） 来指定。

  • 其中，新生代 (Young) 被细分为 Eden 和 两个 Survivor 区域，这两个 Survivor 区域分别被命名为 from 和 to，以示区分。默认的，Edem : from : to = 8 : 1 : 1 。(可以通过参数 –XX: SurvivorRatio 来设定 。

  • 即： Eden = 8/10 的新生代空间大小，from = to = 1/10 的新生代空间大小。

  • J VM 每次只会使用 Eden 和其中的一块 Survivor 区域来为对象服务，所以无论什么时候，总是有一块 Survivor 区域是空闲着的。

    新生代实际可用的内存空间为 9/10 (即 90%) 的新生代空间。

为什么要分代？因为不同的对象的生命周期是不一样的，将不同生命周期的对象放在不同的代，使用不同的垃圾回收算法进行回收。

新生代

一般来说，对象刚 new 出来会放在新生代，新生代中的对象一般是生命周期比较短，一次回收（Minor GC）能回收 98%以上的对象。

新生代内存分为三块 Eden 区、s0 区、s1 区，为什么是分三块？新生代分三块，主要的原因是新生代使用的垃圾回收算法使用的是复制算法。

S0 和 S1 是两块大小相同、功能相同的区域，但是一次 GC 只能有一块区域起作用。当 eden 区第一次满了时，会触发第一次 minor gc，回收 eden 区的对象，gc 后，还有一个对象是可达的，那么就属于存活的对象，这个对象会被放到 s0 区域。当 eden 区第二次满了时，会触发第二次 minor gc，这时会回收 eden 区和 s0 区域，如果这时对象 b 依然可达，并且对象 j 也可达，那么这两个对象就会进入 s1 区域。可以看出，每次 gc 时存活的对象会在 s0 和 s1 区域来回复制，这就是复制算法。每次 gc 后存活的对象，年龄都会加 1，多次 gc 后年龄达到固定的阈值（默认 15）后，对象会进入老年代。

新生代内存分为三块 Eden 区、s0 区、s1 区，默认比例是：8: 1: 1。为什么比例是 8: 1: 1？

因为复制算法中 s0 和 s1 只能一块区域起作用，另一块是空的，所以并不是所有的新生代都是有效的存储空间，s0 和 s1 过大会导致可用内存变小并且 eden 区过小，minor gc 会变得更频繁；s0 和 s1 过小，导致较少的 gc 次数时，s0 和 s1 就会满了，从而导致年龄较小的对象进入老年代。8: 1: 1 可以看成是二八原则。

老年代

新生代和老年代的内存比例是 1: 2。

新生代中多次回收后依然存在的对象会进入老年代。

对象的创建

Java 是一门面向对象的编程语言，Java 程序运行过程中无时无刻都有对象被创建出来。在语言层面上，创建对象通常（例外：复制、反序列化）仅仅是一个 new 关键字而已，而在虚拟机中，对象（文中讨论的对象限于普通 Java 对象，不包括数组和 Class 对象等）的创建又是怎样一个过程呢？—》 （共 5 步，其中第 2 步内容多一些）

第一步：检查类加载

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、连接和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程；

第二步：分配内存

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（对象的内存布局，后边详细说明），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。

如何进行内存块的划分呢？

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，这种分配方式称为 “指针碰撞”（Bump The Pointer）。

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，这种分配方式称为 “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 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。因此，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。

创建对象时的线程不安全问题

关于第二个步骤，还有一个很重要的问题：

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。

解决这个问题有两种可选方案：

  • 一种是 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；
  • 另外一种是把 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。虚拟机是否使用 TLAB，可以通过 -XX：+/-UseTLAB 参数来设定。

第三步：初始化零值

内存分配完成之后，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（连接 - 准备），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。

第四步：设置对象头

接下来，Java 虚拟机还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（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。根据虚拟机当前运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。

第五步：执行实例构造器

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。但是从 Java 程序的视角看来，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。

一般来说 （由字节码流中 new 指令后面是否跟随 invokespecial 指令所决定，Java 编译器会在遇到 new 关键字的地方同时生成这两条字节码指令，但如果直接通过其他方式产生的则不一定如此），new 指令之后会接着执行 <init>() 方法，按照程序员的意愿对对象进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全被构造出来。

补充： invokespecial 这个指令是负责调用 init 方法的。

对象的内存布局

在 HotSpot 虚拟机里，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）。

对象头

HotSpot 虚拟机对象的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”。

    • 对象需要存储的运行时数据很多，其实已经超出了 32、64 位 Bitmap 结构所能记录的最大限度，但对象头里的信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word 被设计成一个有着动态定义的数据结构，以便在极小的空间内存储尽量多的数据，根据对象的状态复用自己的存储空间。

    • 例如在 32 位的 HotSpot 虚拟机中，如对象未被同步锁锁定的状态下，Mark Word 的 32 个比特存储空间中的 25 个比特用于存储对象哈希码，4 个比特用于存储对象分代年龄，2 个比特用于存储锁标志位，1 个比特固定为 0，在其他状态（轻量级锁定、重量级锁定、GC 标记、可偏向）下对象的存储内容如表

  2. 对象头的另外一部分是 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，这点我们会在下一节具体讨论（如何定位对象）。
    • 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。

实例数据

  • 接下来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。
  • 这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数（-XX：FieldsAllocationStyle 参数）和字段在 Java 源码中定义顺序的影响。
  • HotSpot 虚拟机默认的分配顺序为 longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers，OOPs），从以上默认的分配策略中可以看到，相同宽度的字段总是被分配到一起存放，在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之前。
  • 如果 HotSpot 虚拟机的 +XX：CompactFields 参数值为 true（默认就为 true），那子类之中较窄的变量也允许插入父类变量的空隙之中，以节省出一点点空间。

对齐填充

  • 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。
  • 对象头部分已经被精心设计成正好是 8 字节的倍数（1 倍或者 2 倍），因此，如果对象实例数据部分没有对齐的话，就需要通过对齐填充来补全。

对象的访问定位

对象访问方式是由虚拟机实现而定的，主流的访问方式主要有两种：使用句柄 , 直接指针

句柄访问

在 java 中我们在实例化完对象后，在对其进行操作时，用来去操作对象的就叫做句柄。

他代表了当前对象的唯一一个标识，并不能代表当前对象的内存地址

如果使用 句柄访问 的话，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，其结构如图：

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。

直接指针访问

如果使用 直接指针访问 的话，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，如图：

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，就主要虚拟机 HotSpot 而言，它主要使用第二种方式进行对象访问

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。

永久代

说到方法区，不得不提一下“永久代”这个概念，尤其是在 JDK 8 以前，许多 Java 程序员都习惯在 HotSpot 虚拟机上开发、部署程序，很多人都更愿意把方法区称呼为“永久代”（Permanent Generation），或将两者混为一谈。

在 JDK 6 的时候 HotSpot 开发团队就有放弃永久代，逐步改为采用本地内存（Native Memory）来实现方法区的计划了，到了 JDK 7 的 HotSpot，已经把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移出，而到了 JDK 8，终于完全废弃了永久代的概念，改用元空间（Meta-space）来代替，把 JDK 7 中永久代还剩余的内容（主要是类型信息）全部移到元空间中。

Meta Space 这块内存属于代外分配的内存，使用的是机器的直接内存。Meta Space 可以自动扩容，虽然可以自动扩容，但 Meta Space 也并不是越大越好，因为机器的总内存是固定的，Meta Space 变大会挤压其他的内存空间的使用。

方法区中的垃圾回收

  • 《Java 虚拟机规范》对方法区的约束是非常宽松的，除了和 Java 堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，甚至还可以选择不实现垃圾收集。
  • 相对而言，垃圾收集行为在这个区域的确是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说这个区域的回收效果比较难令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收有时又确实是必要的。

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。

  • Java 虚拟机对于 Class 文件每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格规定，如每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、加载和执行。

  • 但对于运行时常量池，《Java 虚拟机规范》并没有做任何细节的要求，不同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，还会把由符号引用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有编译期才能产生，也就是说，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，运行期间也可以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– 现在，没人问啊。

  • 既然运行时常量池是方法区的一部分，自然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。

Java 虚拟机栈

与程序计数器一样，Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）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 方法执行的线程内存模型：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（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference 类型，它并不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是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）。

  • 这些数据类型在局部变量表中的存储空间以 局部变量槽（Slot）来表示，其中 64 位长度的 long 和 double 类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。
  • 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，这个方法需要在栈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。

在《Java 虚拟机规范》中，对这个内存区域规定了两类异常状况：

  • 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。(如果你的电脑内存支持动态扩展，JVM 虚拟机启动需要内存，但是内存不够了。你的电脑会报 oom 异常。)

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，其区别只是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本地（Native）方法服务。

参考

https://www.cnblogs.com/DarkSki/p/16985265.html