Java-JVM总结(一) 内存区域和内存管理

夜清风
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一、Jvm启动流程和体系概述

概述：

  1. java有java编译器和java虚拟机，编译器将java源代码转换为.class文件，java虚拟机加载并运行.class文件。
  2. Jvm为java语言提供了与硬件和操作系统无关的运行环境，使得Java能够实现"一次编译，到处运行"的特性。

1.Jvm启动流程

Jvm的启动流程是java程序运行的基础。以下是Jvm启动的一般步骤:

  1. Jvm初始化：当启动一个java应用程序时，首先要初始化Jvm，这通常涉及到设置Jvm的参数。
  2. 加载Jvm规范：根据java虚拟机规范，Jvm需要加载符合该规范实现。
  3. 创建JRE(java运行时环境)：JRE提供了Java程序运行所需的核心类库和运行时组件。
  4. 解析命令行参数：Jvm解析用户通过命令行传递给它的参数，这些参数可以指定要执行的主类、传递给main方法的参数、Jvm启动参数等
  5. 类加载器初始化：JVM使用类加载器（如Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader、Application ClassLoader）来加载所需的类。
  6. 加载主类：类加载器首先加载包含main方法的主类。这是启动Java程序的入口点。
  7. 链接：加载完主类后，JVM会进行链接操作，这包括验证字节码、准备（为静态变量分配内存并设置默认初始值）、解析（将符号引用转换为直接引用）。
  8. 初始化：静态变量赋值（执行静态初始化块）和初始化类变量。
  9. 执行main方法：一旦主类被加载、链接和初始化，JVM调用main方法启动程序。
  10. 执行java字节码：JVM的执行引擎开始执行main方法中的Java字节码。
  11. 运行时监控：程序运行期间，JVM持续监控运行状态，包括垃圾回收、异常处理等。
  12. 程序退出：当main方法执行完毕或程序中抛出未被捕获的异常时，JVM将终止程序的执行并退出。
  13. 垃圾回收和资源清理：在程序退出前，JVM的垃圾回收器将执行一次清理，释放不再使用的对象所占用的内存。
  14. Jvm关闭：JVM关闭，释放所有资源

2.Jvm体系结构

Jvm体系结构是java平台核心它定义了Java程序如何被加载、执行和垃圾回收。以下是JVM体系结构的主要组成部分：

  1. 类加载器（Class Loader） ：

    • 负责加载.class文件到JVM中，将字节码转换为JVM可以理解和执行的格式。类加载器包括：

      • 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：加载Java核心类库。
      • 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：加载扩展目录中的类库。
      • 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：加载应用程序类路径上的类库。

  2. 运行时数据区（Runtime Data Areas） ：

    • 定义了JVM在执行Java程序时使用的各种内存区域。主要包括：

      • 方法区（Method Area） ：存储已被加载的类信息，如运行时常量池、字段和方法数据等。
      • 堆（Heap） ：存储对象实例和数组，是垃圾回收的主要区域。
      • 栈（Stacks） ：存放局部变量、操作数栈和方法调用信息，每个线程有自己的栈。
      • 程序计数器（Program Counter Register） ：存储指向下一条指令的地址，即当前线程所执行的字节码的行号。
      • 本地方法栈（Native Method Stacks） ：为JVM使用到的Native方法服务。
      • 寄存器（Registers） ：存储临时数据，如计算结果等。

  3. 执行引擎（Execution Engine） ：

    • 负责执行JVM字节码。执行引擎可以是：

      • 解释执行：逐行解释执行字节码。
      • 即时编译（Just-In-Time Compilation, JIT）：将字节码编译成机器码再执行，提高执行效率。

  4. 本地方法接口（Native Method Interface, JNI） ：

    • 允许Java代码调用非Java语言编写的本地方法，实现Java与其他编程语言的交互。

  5. 垃圾回收器（Garbage Collector, GC） ：

    • 自动管理内存，回收不再使用的对象，避免内存泄漏。垃圾回收算法包括：

      • 标记-清除（Mark-Sweep）
      • 复制（Copying）
      • 标记-整理（Mark-Compact）
      • 分代收集（Generational Collection）

  6. 编译接口：

    • 提供了将Java源码编译成字节码的功能。

  7. JVM性能监控和故障处理工具：

    • 提供了对JVM进行性能监控和故障处理的工具，如jconsole、jstack、jmap等。

  8. Java核心类库：

    • 提供了大量预先构建好的类和接口，使得Java开发者可以快速开发。

JVM体系结构的这些组件共同工作，为Java程序提供了一个稳定、高效、安全的运行环境。了解JVM的体系结构有助于开发者更好地理解Java程序的运行机制，从而更有效地进行性能调优和故障排查。

详细的结构:

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二、运行时数据区总体概括

运行时数据区:

  • 经过编译生成的字节码文件（class文件），由 class loader（类加载子系统）加载后交给执行引擎执行。
  • 在执行引擎执行的过程中产生的数据会存储在一块内存区域。这块内存区域就是运行时区域。

运行时数据区总体框架图:

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总体概括

  • 堆: 存放Java 对象， 线程之间共享的；
  • 栈: 方法运行，每一个方法对应一个栈帧，每一个线程对应一个栈；每个栈由包括 操作数、局部变量表、指向运行时常量池的引用，方法返回地址、附加位区；所以是线程不共享 (这个就是栈的宽度)(而栈的深度就是栈帧的个数)；
  • 方法区 (静态区) : 被虚拟机加载的类信息、静态 (static) 变量，常量 (final) ，即时编译器编译后的代码等数据。运行常量池是方法区的一部分，class文件除了有类的版本、字段、接口、方法等描述信息之外，还有一项信息常量池保存缩译期生成的字面量和符号引用。 线程之间共享的。
  • 程序计数器: 指出某一个时候执行某一个指令、执行完毕之后要返回的位置，当执行的Java方法的时候，这里保存的当前执行的地址，如果执行的是本地方法，那么程序计数器为空。线程不共享。

划分线程共享和线程独占和线程共享的原因:

先熟悉一下一个一般性的 Java 程序的工作过程。

  • 一个 Java 源程序文件，会被编译为字节码文件(以 class 为扩展名) ，每个java程序都需要运行在自己的JVM上；
  • 然后告知 JVM 程序的运行入口，再被 JVM 通过字节码解释器加载运行。那么程序开始运行后，都是如何涉及到各内存区域的呢?
  • 概括地说来，JVM初始运行的时候都会分配好 Method Area (方法区) 和Heap (堆) ，而JVM 每遇到一个线程，就为其分配一个 Program Counter Register (程序计数器) ，VM Stack (虚拟机栈) 和Native Method Stack (本地方法栈) ， 当线程终止时，三者(虚拟机栈，本地方法栈和程序计数器) 所占用的内存宝间也会被释放掉。这也是为什么我们把内存区域分为线程共享和非线程共享的原因，非线程共享的那三个区域的生命周周期与所属线程相同，而线程共享的区域与JAVA程序运行的生命周期相同，所以这也是系统垃圾回收的场所只发生在线程共享的区域 (实际上对大部分虚拟机来说发生在Heap上) 的原因。

1、程序计数器

  • 程序计数器是一块较小的内存区域，它可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器；
  • 程序计数器处于线程独占区(每一个线程都有一个独立的程序计数器)，各计数器不影响；
  • 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的字节码指令的地址，如果线程正在执行的是一个本地Native方法，则计数器值为空；
  • 此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范没有规定任何OutOfMemoryError的区域;

2、Java虚拟机栈

  • Java虚拟机栈描述的是Java方法执行的动态内存模型；
  • 栈帧: 每个方法执行都会创建一个栈帧，伴随着方法从创建到执行完成，用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等；
  • 局部变量表 : a.存放编译期可知的各种基本数据类型，引用类型，returnAddress类型；b.局部变量表的内存空间在编译器完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈桢中分配多少内存是固定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小；
  • 也会有StackOverFlowError (线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度)，OutOfMemoryError(没有足够的内存) ;

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局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型 (boolean、byte、char、short、int、  float、long、double)、对象引用 〈reference 类型，它不等同于对象本身，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其他与此对象相关的位置) 和 TeturnAddress 类型〈指向了一条字节码指令的地址)。

其中 64 位长度的 long 和 double 类型的数据会占用 2 个局部变量空间 (Slot)，其余的数 据类型只占用 1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，对这个区域规定了两种异常状况: 如果线程请求的栈深度大于虚 拟机所允许的深度，将抛出 StackOverowError 异常 ， 如果虚拟机栈可以动态扩展〈当前大 部分的 Java 虚拟机都可动态扩展，只不过 Java 虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈)， 如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出 OutOftMemoryError 异常。

3、本地方法栈

本地方法栈 (Native Method Stack) 与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的:

  • 它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法〈也就是字节码) 服务，而本地方法栈则为

虚拟机使用到的 Native 方法服务。

  • 在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机。(璧如Sun HotSpot 虚拟机直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一)。
  • 与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常。

4、Java堆

  • Java虚拟机所管理的内存中最大的一块区域，是被所有线程共享的一块区域；
  • 几乎所有的对象实例都在这里分配内存(所有的对象实例以及数组)；
  • Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，大部分收集器基于分代收集: 分为新生代和老生代，甚至更加的细分为Eden空间，From Survivor空间，To Survivor空间，这样分配的目的是为了更好的回收内存和分配内存；
  • Java堆可以处理物理上不连续，但是逻辑上连续的内存空间；现在的虚拟机可以通过Xms和 Xmx等来扩展大小；
  • 如果堆中已经没有内存来分本实例，并且堆没法扩展，就会报出OutofMemoryError异常;

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5、方法区

  • 是线程共享区;
  • 存储的是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数据；
  • 其中类信息包括: 类的版本，字段，方法，接口等；
  • 方法区 != 永久代，HotSpot使用永久代实现方法区，这样HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java推

一样来管理这块内存区域，省去专门为方法区编写内存管理代码的工作；

  • 根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError 异常。

JDK6时，String等常量信息至于方法区，JDK7时，已经移动到堆；

Java 虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，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，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印载，一般来说，这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的印载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是必要的。在 Sun 公司的 BUG 列表中，曾出现过的若干个严重的 BUG 就是由于低版本的 HotSpot 虚拟机对此区域未完全回收而导致内存汇漏。

关于元空间: 元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现，不过元空间和永久代之间最大的差别在于: 元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制。

6、运行时常量池

  • 用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区

的运行时常量池中存放；

  • 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器才能产生，运行期间也可能将新的常量放入池中，例如intern()。

  • 常量池无法再申请到内存时，也会抛出OutOfMemoryError异常;

对intern()测试:

public class StringTest {

    public static void main(String[] args) {
        String s1 = "abc";  //字节码常量
        String s2 = "abc";

        System.out.println(s1 == s2); // true

        String s3 = new String("abc"); //false

        System.out.println(s1 == s3);

        System.out.println(s1 == s3.intern()); //true   运行时常量

    }
}

上面的代码的内存分配如下:

image.png

7、直接内存-不是运行时数据区域的一部分

直接内存 (Direct Memory) 并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError 异常出现。

在JDK 1.4中新加入了NIO (New InputOutput) 类，引入了一种基于通道 (Channel)与缓冲区 (Buffer) 的 IO 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 堆中的 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。

显然，本机直接内存的分配不会受到 Java 堆大小的限制，但是，既然是内存，肯定还是会受到本机总内存〈包括 RAM 以及SWAP 区或者分页文件) 大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常忽略直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制包括物理的和操作系统级的限制)，从而导致动态扩展时出现 OutOfMemoryError 异常。

三、对象相关

1、对象的创建过程

1)、对象的内存分配

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虚拟机在堆中分配内存有两种方式:

指针碰撞

假设 Java 堆中内存是绝对规整的，所有用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另一边，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那边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)。

空闲列表

如果 Java 堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，那就没有办法简单地进行指针碰了，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压缩整理功能决定。

因此，在使用 Serial、ParNew 等带 Compact 过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，而使用CMS 这种基于 Mark-Sweep 算法的收集器时，通常采用空闲列表。

2)、线程安全问题

除如何划分可用空间之外，还有另外一个需要考虑的问题是对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使是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方案:

  • 一种是对分配内存空间的动作**进行同步处理(加锁)**一 实际上虚拟机采用 CAS 配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；
  • 另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TEAB 上分配； 只有 TEAB 用完并分配新的 TLAB 时，才需要同步锁定。虚拟机是否使用TEAB，可以通过-XX:+/-UseTLAB 参数来设定。

3)、初始化对象

内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内在空间都初始化为零值 (不包括对象头)，如果使用TLAB，这一工作过程也可以提前至 TLAB 分配时进行。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。

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 (Object Header) 之中。根据虚拟机当前的运行状态的不同。如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。

4)、调用对象的构造方法

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:

  • 即<init>方法还没有执行，所有的字段都还为零。
  • 所以一般来说( 由字节码中是否跟随invokespecial 指令所决定)，执行 news 指令之后会接着执行 <init> 方法，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

对象在内存中存储的布局可以分为3块区域: 对象头、实例数据和对其填充。

1)、对象头(Header)

  • 自身的运行数据(Mark Word):

    • 包括: 哈希值、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；

  • 类型指针: 通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例；

2)、实例数据(InstanceData)

  • 实例数据是对象真正存储的有效信息；
  • 也是程序代码中所定义的各种类型的字段内容；

3)、对齐填充(Paddings)

  • 对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义；
  • 仅仅起着占位符的作用；

3、对象的访问定位

对象访问方式取决于虚拟机实现而定的。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。

  • 句柄访问
  • 直接指针

1)、句柄访问

  • 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；

如图:

image.png

2)、直接指针

  • 如果使用直接指针访问，那么Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息。
  • 而reference中存储的直接就是对象地址。

image.png

3)、各自的优势

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。

转载链接:github.com/3396832532/…

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