Java 程序员都该懂的 JVM 内存区域

对于 Java 程序员来说,在 JVM 自动内存管理机制的帮助下,不再需要为每一个 new 操作去写对应的 delete/free 代码,不容易出现内存泄露和内存溢出的问题。不过正因如此,如果不了解虚拟机是怎样使用内存的,一旦出现内存泄露和内存溢出的问题,那么排查错误将会非常艰难。

一. 内存区域


虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它管理的内存划分为若干个不同的数据区域,这些区域各司其职

1. 线程私有

下面这 3 个区域都是线程私有的区域,每个线程独占一份

(1)程序计数器

  • 当前线程所执行的字节码的行号指示器
  • 通过改变计数器的值来选取下一条执行的字节码指令
  • 帮助完成分支,循环,跳转,异常处理,线程恢复等基础功能
  • 多线程环境中,为了正常完成线程的切换,使得各个线程能恢复到正确的执行位置,因此每条线程都需要一个程序计数器
  • 唯一一个不会出现 OutOfMemoryError 情况的区域

(2)虚拟机栈

  • 每个方法执行时都会创建一个栈帧,当方法被调用,栈帧入栈,方法执行完成,出栈
  • 每个栈帧存储局部变量表,操作栈,动态链接,方法出口等
  • 局部变量表存储了当前方法的局部变量,包括基本数据类型,对象引用(指针)以及 returnAddress 类型(指向一条字节码指令的地址)
  • 可能出现的两种异常:
    StackOverflowError:栈溢出,线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度
    OutOfMemoryError:内存溢出,如果虚拟机栈可以动态扩展,那么如果扩展时无法申请到足够的内存,则抛出异常

(3)本地方法栈

  • 作用,运行机制,异常类型等与虚拟机栈相同
  • 为 native 方法服务
  • 很多虚拟机中,本地方法栈和虚拟机栈合二为一

2. 线程共享

下面两个为线程共享的区域

(4)堆

  • 虚拟机管理的内存中最大的一块
  • 存放对象实例
  • 垃圾回收器管理的主要区域,也被称为 GC 堆,并因此可以细分为新生代和老年代
  • 可以处于不连续的空间中
  • 当没有内存完成实例分配,堆也无法扩展时,抛出 OutOfMemoryError

(5)方法区

  • 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
  • 垃圾回收行为在这个区域很少出现,因此也被称作为“永久代”

值得注意的是,从 Java 8 开始,方法区被移除,取而代之的是一个叫元空间(Metaspace)的区域

(6)运行时常量池

  • Java 6 及之前属于方法区的一部分;Java 7 后被移入堆区域
  • 存放编译器生产的各种字面量和符号引用,在类加载时期存入运行时常量池

二. 了解 Java 对象


1. 对象的创建

对象的创建过程中有以下几大步骤:

(1)类加载检查

当虚拟机遇到一个 new 指令,说明要创建对象了;但在创建对象之前,会先去检查这个类是否已经加载过,解析和初始化过,如果没有,则先执行类加载过程

(2)分配内存

在堆中划分出一块确定大小的内存,分配方式有两种

分配方法

  • 指针碰撞:使用这种方法,堆内存必须是规整的(用过的放一边,空闲的放一边),然后中间放一个指针作为分界点。分配内存时只需要将指针挪一段与对象大小相等的距离即可
  • 空闲列表:如果堆内存不规整,就只能使用空闲列表法了。JVM 维护一个列表来记录内存块的使用情况;分配时找到一块足够大的空间划分给对象然后更新表记录即可

保证线程安全

为了保证线程安全,避免同一块区域同时分配给多个对象,通常使用两种方法

  • CAS:每当要写入数据时,先比较当前值(工作内存)与主内存中的值是否一致,是则进行写入,否则重新获取值
  • TLAB:每个线程预先分配一小块内存,称为本地线程分配缓冲(TLAB);如果某个线程的 TLAB 用完,需要分配新的 TLAB,这些则需要进行同步锁定

(3)初始化零值

将分配到的内存空间都初始化为零值;这样可以使得对象在代码中不赋初始值就直接使用

public class Person {
    int age;

    public static void main(String[] args) {
        Person person = new Person();
        System.out.println(person.age);
    }
}

类似这样的情况,age 被默认赋值为 0

(4)设置对象头

将类的自身运行时数据(HashCode,GC 分代年龄,锁状态标志等);类型指针(指向类元数据,确定是哪个类的实例)存放在对象头中

(5)执行 init 方法

前面几步完成后,对于虚拟机,一个新对象已经产生了,但对于 java 程序,需要执行 init 方法后,一个真正的对象才完全产生出来

二. 对象的内存布局

堆里面存放的是对象实例,对象实例由三个部分组成

  • 对象头:存储自身运行时数据(HashCode,GC 分代年龄,锁状态标志等);类型指针,指向类元数据(确定是哪个类的实例)
  • 实例变量:记录对象的各种属性数据信息
  • 填充数据:用于对齐字节(JVM 对对象起始地址的字节数有要求,是8字节的整数倍

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