JVM內存結構劃分的示例分析

這篇文章主要介紹JVM內存結構劃分的示例分析，文中介紹的非常詳細，具有一定的參考價值，感興趣的小伙伴們一定要看完！

數據區域劃分

運行時內存區域劃分：程序計數器、虛擬機棧、本地方法棧、堆、方法區

程序計數器

• 線程私有

• 通過寄存器實現

• 不會存在運行溢出

當前線程所執行的行號指示器,記住下一條JVM指令的執行地址

虛擬機棧

• 垃圾回收不涉及棧內存

• 棧內存是線程私有的,可以理解為線程運行需要的內存空間

• 棧由棧幀組成，每個棧幀代表一個方法執行時需要的內存(參數,局部變量,返回地址)

• 每個線程只能有一個活動棧幀,對應著當前正在執行的那個方法

棧內存分配過大只能支撐一定的遞歸調用,并不會影響運行速度,還可能減少線程數量(因為物理內存是一定的)

本地方法棧

為運行本地方法時分配的內存(HotSpot把虛擬機棧和本地方法棧合二為一了)

• 堆
   

• 有垃圾回收機制

• 線程共享,需要考慮線程安全問題

• 存儲的都是對象的實例(通過new關鍵字創建的對象)

• 從內存分配的角度來說:堆中可以劃分出多個線程私有的分配緩沖區(TLAB),以提升對象分配時的效率

• Java堆可以處于物理上不連續的內存空間,但在邏輯上應該視為連續的(但是對于比如數組這種大對象,可能會要求連續的內存空間)

方法區

• 線程共享區

• 存儲已被虛擬機加載的類型信息,常量,靜態變量,即時編譯器編譯后的代碼緩存

• 在虛擬機啟動時被創建,邏輯上屬于堆的一部分(不同JVM實現的方式不同)

• JDK1.6使用永久代(PerGen)作為方法區的實現

• JDK1.8使用元空間(Metaspace)對方法區進行實現(包含Class ClassLoader 常量池三個部分,放在直接內存中)StringTable放在堆中(有助于垃圾回收管理)

使用場景:如Spring Mybatis使用的動態加載

運行時常量池

運行時常量池是方法區的一部分

二進制字節碼內容:類基本信息\常量池表\類方法定義,包含了虛擬機指令

其中,常量池表中存放編譯期間生成的各種字面量(比如各種基本數據類型)與符號引用(比如,類名\方法名\參數類型),這部分內容將在類加載后存放到方法區的運行時常量池中,并把符號地址變為真實地址

StringTable

類似于hashTable結構,不能自動擴容

常量池中的字符串只是符號,第一次使用時才變為對象

利用串池機制,避免重復創建字符對象

案例

• 字符串拼接的原理是編譯期優化

• 字符串拼接原理是StringBuilder(JDK1.8)

• 使用intern()方法,主動將串池中還沒有的字符串對象放入串池

// StringTable [ "a", "b" ,"ab" ] hashtable 結構，不能擴容
public class Demo1_22 {
  // 常量池中的信息，都會被加載到運行時常量池中， 這時 a b ab 都是常量池中的符號，還沒有變為 java 字符串對象
  // ldc #2 會把 a 符號變為 "a" 字符串對象
  // ldc #3 會把 b 符號變為 "b" 字符串對象
  // ldc #4 會把 ab 符號變為 "ab" 字符串對象

  public static void main(String[] args) {
    String s1 = "a"; // 懶惰的
    String s2 = "b";
    String s3 = "ab";
    String s4 = s1 + s2; // new StringBuilder().append("a").append("b").toString() new String("ab")
    String s5 = "a" + "b"; // javac 在編譯期間的優化，結果已經在編譯期確定為ab

    System.out.println(s3 == s5);
  }
}

JDK1.7以后,利用intern()方法,會將字符串對象嘗試放入串池，如果有則并不會放入，如果沒有則放入串池， 會把串池中的對象返回;而JDK1.6調用intern()方法,是將對象拷貝一份到串池中,指向堆中的對象本身引用并不不改變

public class Demo1_23 {

  // ["ab", "a", "b"]
  public static void main(String[] args) {
    demo1();
    demo2();
  }

  static void demo1() {
    // 串池中事前沒有"ab",intern()之后,s返回的是串池中的對象
    String s = new String("a") + new String("b");

    String s1 = s.intern();

    System.out.println(s == "ab"); // true
    System.out.println(s1 == "ab");   //true
  }

  static void demo2() {
    // 串池中事前已有"ab",s返回的仍是堆中的對象
    String x = "ab";
    String s = new String("a") + new String("b");

    // 堆 new String("a")  new String("b") new String("ab")
    String s2 = s.intern(); // 將這個字符串對象嘗試放入串池，如果有則并不會放入，如果沒有則放入串池， 會把串池中的對象返回

    System.out.println( s2 == x);  // true
    System.out.println( s == x );  //false
  }
}

位置

JDK1.6時,StringTable放在元空間內,屬于永久代的位置,但是StringTable占用內存容易觸發full gc耗時較久;JDK1.7以后將StringTable放在堆內存中,隨著內存占用增大首先觸發minor gc,耗時較短.

直接內存

使用Native函數直接分配堆外內存,然后通過Java堆里的DirectByteBuffer對象作為引用對這塊內存的引用進行操作.
原理說明:

使用Unsafe對象完成直接內存的分配和回收,回收時需要主動調用freeMemory方法

ByteBuffer的實現類內部使用了Cleaner(虛引用)來監測ByteBuffer(BB)對象,一旦BB對象被垃圾回收,會有ReferenceHandler線程通過Cleaner方法調用freeMemory來釋放內存

創建新對象說明

HotSpot虛擬機在Java堆中對象分配、布局和訪問的過程

對象的創建

new字節碼指令

虛擬機遇到new字節碼指令時，首先檢查能否在常量池中定位到一個類的符號引用，并檢查該符號引用的來是否已被加載、解析和初始化。如果沒有，則執行相應的類加載過程。
類加載檢查后，虛擬機為新生對象分配內存

內存分配

對象所需的內存大小在類加載過程中可以確定，在Java虛擬機中為對象劃分內存時有兩種方式：指針碰撞、空閑列表
指針碰撞： 利用一個指針作為已用內存和未用內存的分界點的指示器，內存分配就僅僅是指針的移動。優點在于不會造成內存碎片化，但是速度較慢

空閑列表：虛擬機維護一個內存使用記錄表，使用時，從空閑的內存區域直接劃分一塊足夠大的空間給對象實例。

內存分配的線程安全問題

劃分可用空間后仍要考慮并發情況下對內存的使用，有兩種方式解決內存沖突的問題：CAS配上失敗重試、TLAB本地線程分配緩沖
TLAB：把內存分配的動作按照線程劃分在不同的空間之中進行，即每個線程在Java堆中預先分配了一小塊內存空間

對象的內存布局

對象在堆內存中的布局可以劃分為三個部分：對象頭、實例數據、對齊填充

對象頭

對象頭中包含兩類信息：Mark Word、類型指針

Mark Word

存儲對象自身運行時數據，考慮到虛擬機的空間效率，被設計成一個動態定義的數據結構，即根據對象的狀態復用自己的存儲空間（數據長度在32位和64位虛擬機上分別為32個比特和64個比特）

類型指針

對象中指向它類型元數據的指針，Java虛擬機通過這個指針來確定該對象是哪個類的實例（不是所有虛擬機都必須在對象數據上保留類型指針）此外，如果對象是一個數組，對象頭中還必須擁有一塊記錄數據長度的數據

實例數據

即程序代碼里定義的各種類型的字段內容，包括從父類繼承的或子類中定義的字段。各類數據存儲是按照一定順序的（long/double、ints...），而寬度相同的字段總是被分配到一起存放，所以父類中定義的變量可能會出現在子類之前。

對齊填充

占位符，無特殊意義

HotSpot虛擬機的自動內存管理系統要求對象的起始地址必須是8字節的整倍數，若有些對象的對象頭和示例數據內存設計不是8的倍數，則需要利用占位符來進行填充。

對象的訪問定位

Java程序通過reference數據操作對上的具體對象，主流的訪問方式有兩種：句柄、直接指針

句柄

Java堆中可能劃分出一塊內存作為句柄池。reference中存儲對象的句柄地址，句柄中包含對象的實例數據和類型數據的具體地址信息。

直接指針

Java堆中對象的布局需要考慮如何放置類型數據的相關信息（如訪問信息）。reference中存儲的直接就是對象地址，如果只訪問對象本身，就不要多一次間接訪問的開銷

優缺點

使用句柄訪問， reference數據只需關乎句柄地址，當對象被回收或移動后只需改變句柄中的實例數據指針，而reference本身不用修改
使用直接指針省去了一次指針定位的時間開銷，速度更快，由于Java中對象的訪問相當頻繁，所以效果可觀。
HotSpot使用直接指針的方式

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