深入理解java虚拟机第二章

运行时数据区

1.程序计数器

• 作是当前线程所执行的 字节码的行号指示器。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
• 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）。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。

2.虚拟机栈

• 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[1]（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。
  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，
• HotSpot虚拟机的栈容量是不可以动态扩展的，以前的Classic虚拟机倒是可以。所以在HotSpot虚拟
  机上是不会由于虚拟机栈无法扩展而导致OutOfMemoryError异常——只要线程申请栈空间成功了就不
  会有OOM，但是如果申请时就失败，仍然是会出现OOM异常的，后面的实战中笔者也演示了这种情
  况。本书第2版时这里的描述是有误的，请阅读过第2版的读者特别注意。

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，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。

4.java堆

• 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[2]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
• 堆中的垃圾回收在过去一直是基于分代设计，以G1垃圾收集器出现作为分界点
  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。

5.方法区

• 方法区是在jdk8中加入的，在此之前有一个永久代，因为永久代设计的有最大上限

*永久代有-XX：MaxPermSize的上限，即使不设置也有默认大小，而J9和JRockit只要 没有触碰到进程可用内存的上限，例如32位系统中的4GB限制，就不会出问题

• 考虑到HotSpot未来的发展，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[1]，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，改用与JRockit、J9一样在本地内存中实现的元空间（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。

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。
• 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。
• 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。

7.直接内存

• 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。

HotSpot虚拟机对象探秘

对象的创建

• 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、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
• 类创建的方式有两种：指针碰撞、空闲列表

“指针碰撞”（Bump The Pointer） 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
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

“空闲列表”（Free List） 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，
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
当使用CMS这种基于清除 （Sweep）算法的收集器时，理论上[1]就只能采用较为复杂的空闲列表来分配内存。

[1] 强调“理论上”是因为在CMS的实现里面，为了能在多数情况下分配得更快，设计了一个叫作Linear Allocation Buffer的分配缓冲区，通过空闲列表拿到一大块分配缓冲区之后，在它里面仍然可以使用指 针碰撞方式来分配。

• 除如何划分可用空间之外，还有另外一个需要考虑的问题：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。
• 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。关于对象头的具体内 容，稍后会详细介绍。

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（Header）	对象头（Header）	实例 数据（Instance Data）	对齐填充（Padding）
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，	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。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。	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。

3.对象的访问

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，就本书讨论的主要虚拟 机HotSpot而言，它主要使用第二种方式进行对象访问（有例外情况，如果使用了Shenandoah收集器的 话也会有一次额外的转发，具体可参见第3章），但从整个软件开发的范围来看，在各种语言、框架中 使用句柄来访问的情况也十分常见