深入理解 Java 虚拟机(内存篇)

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Java 内存区域

概述

对于 C 和 C++ 程序员来说，他们即拥有每一个对象的“所有权”，同时也担负每一个对象生命周期的维护责任。

而 Java 程序员则是在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，不用操心对象内存的释放。但是也正由于这个帮助，一旦程序出现内存泄漏和溢出问题的时候，由于不够了解虚拟机运行机制，而对问题无从下手。

运行时数据区域

上图是 Java 虚拟机运行时数据区的结构图

PC Register

当一个 Java 线程启动的时候，就会产生一个程序计数器( Program Counter Register ),它是一块较小的内存空间。

当线程正在执行的是一个 Java方法的时候，它记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址，如果执行的是 Native 方法，就为空。

该区域是唯一个在 Java 虚拟机中不存在 OOM 的区域。

JVM Stack

与 PC Register 一样，JVM Stack 也是线程私有的。

其描述的是 Java 方法的内存模型。

在方法执行的同时会创建一个栈帧( Stack Frame ) ,用于存储局部变量表，操作数栈等信息。（之后会详说）

Native Stack

与 JVM Stack 非常相似，只不过一个是关于 Java 方法的，一个是关于 Native 方法的。

Heap

对许多应用来说， Java Heap 是 JVM 所管理的内存中最大的一块。其资源也是被所有线程所共享的。

该区域的唯一目的就是存放内存对象实例。它也是垃圾收集器主要管理的区域。(也有称其为“ GC 堆”)

Method Area

也是被线程共享的区域，主要用来存储已被虚拟机加载过的类的信息，常量，静态变量等。

JVM 规范中称它为 Heap 的一个逻辑部分。但它还有一个别名叫做 Non-Heap。

也有部分 HotSpot 虚拟机开发者称其为 Permanent Generation（永久代），因为 HotSpot 虚拟机的设计团队将 GC 分代收集机制应用于方法区，将它看做是永久代处理。

Runtime Constant Pool

运行时常量池是方法区的一部分，用于存放编译期生成的各种字面量和符号用引用。

Direct Memory

直接内存虽然不是 JVM 运行时数据区的一部分，但是却被频繁使用。

在 JDK 1.4 中新加入了 NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于 Channel 与 Buffer 的 I/O 方式，它可以使用 Native 直接分配堆外内存，然后用 Java Heap 中的 DirectByteBuffer 对象作为内存引用进行操作。避免在 Java Heap 和 Native Heap 来回复制数据，提高了不少性能。

HotSpot 虚拟机对象

对象的创建

当遇到一条 New 指令的时候，检查该类是否已经被加载解析，初始化。如果没有先执行类的加载过程，关于类的加载之后再详说。

加载检查之后就是分配内存空间。

关于内存的分配根据收集器算法的不同而采用不同的分配方式：

  • 例如 Serial 和 ParNew 等带 Compact 过程的的收集器使用的分配算法是指针碰撞。（因为采用压缩算法，内存相对是平整的）
  • 使用 CMS 这种基于 Mark-Sweep 算法的收集器采用的是空间列表。（因为标记清除容易产生内存碎片化，需要用列表来记录可用内存指针的位置）

考虑到并发情况下操作内存指针的安全性问题，对分配内存又进行了同步处理：

  • 采用 CAS 配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。
  • 一开始就给不同线程分配一块叫做本地线程分配缓冲（Thread Local Allocatiuon Buffer,TLAB）的区域当做缓存，只有当它用完了，重新分配的时候才需要同步锁定。

对象的内存布局

对象布局主要由三个部分组成：

对象头主要由两个部分组成：

  1. 第一部分 官方称之为 Mack Word ，主要存储哈希码，GC 分代年龄，锁状态的标志等信息。

  2. 第二分就是存储类型指针了。也就是指向对象的类元数据指针。

Insatance Data

该部分存储的是对象真正的有效信息，存储的是代码中定义的各种类型的字段。不论是父类继承，还是子类定义的信息都会被记录。

Padding

由于虚拟机的管理机制要求，对象的起始地址必须是 8 个字节的整数倍，所以该部分就是用来填补空缺的。

对象的访问定位

关于对象的访问，许多人都知道，是通过在 Stack 上的一个 reference 数据来操作 Heap 上的具体对象，但是是通过什么方式访问却没有指定。

目前主流的有两种方式，句柄 和 直接指针。

上图已经表示的非常清楚了，使用该方式的访问，Java Heap 中会划分出一个句柄池，优点很明显，当对象改变时，Java Stack 中的 reference 是不改变的。移动的是句柄中的实例数据指针。

  • 直接指针

很明显 reference 直接指向对象实例数据，优势就是速度更快。（ HotSpot 使用这种方式）

Java 垃圾收集器

关于对象存活的判断

引用计数算法

给对象添加一个引用计数器，被引用加 1 ，引用失效减 1 。为 0 就说明不再被使用。

该算法的优势很明显：实现简单，判定效率也很高。

但是缺点也明显：很难解决对象之间相互循环引用的问题。这也是 JVM 没有选用该算法的最主要原因。

可达性分析算法

通过一系列被称为 GC Root 的对象作为起点，从这些节点向下搜索，没有被搜索到的对象都被当做垃圾。

可以被当成是 GC Root 对象的，在 Java 中有：

  • JVM Stack 中引用的对象。
  • 方法区中常量引用的对象。
  • 本地方法栈中 Native 方法引用的对象。

垃圾收集算法

标记-清除算法

先标记无用对象，在清除。是最基础算法，之后的算法都是根据它来改进。

不足有两点：

  1. 标记和清除的效率都不高。
  2. 清除之后会导致内存的碎片化。

复制算法

将内存一分为二，每次用其中一块。当一块内存用完的时候，就将存活的对象复制到另一块新的空的内存中，然后这边一次性全部清空就好了。简单高效。

缺点很明显，就是只有一半的内存能用。

标记-整理算法

可以说是前两种算法的综合，标记阶段和“标记-清除”算法一样，清除阶段先是将存活对象移到一边，然后直接清除没被引用对象。

解决了碎片化和清除效率低的问题。

分代收集算法

当前主流算法，是前面几种算法的综合。

根据对象存活的周期(每 GC 一次算一个周期)，将内存分为新生代和老年代。

在新生代由于对象一般都是朝生夕死，而且占用内存量相对小，所以使用复制算法。

老年代存活率高，使用”标记-清理”或者“标记-整理”算法。