Java内存区域与分配策略

1. 运行时数据区

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域有各自的用途，创建和以及销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而一直存在，有的区域则是依赖用户线程的启动结束而建立和销毁。

1.1 程序计数器（线程私有）

程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在Java虚拟机的概念模型里，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。
由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的在任何一个确定的时刻，一个处理器(对于多核处理器来说是一个内核)都只会执行一条线程中的指令。因此，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，所以该区域为“线程私有”。
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Out Of Memory Error 情况的区域。

1.2 java虚拟机栈（线程私有）

Java 虚拟机栈的生命周期与线程相同。

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用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从人栈到出栈的过程。
Java 虚拟机栈通常保存着我们最关注的局部变量表。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，也可能是指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置)和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)。
这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽(Slot)来表示，其中64位长度的long 和 double 类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。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，这个方法需要在栈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（主要指槽的数量）。

如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出Stack Over flow Error异常；如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出Out Of Memory Error 异常。

1.3 本地方法栈（线程私有）

本地方法栈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。
与虚拟机栈一样，本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出Stack Over flow Error和Out Of Memory Error 异常

1.4 堆（线程共享）

对于Java应用程序来说，Java堆(Java Heap)是虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例。Java世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的内存区域，因此它也被称作“GC堆”。从回收内存的角度看，由于现代垃圾收集器大部分都是基于分代收集理论设计的，所以Java堆中经常会出现“新生代”“老年代”“永久代”“ Eden 空间”“From Survivor 空间”“To Survivor 空间”等名词，但是在G1收集器的出现之前，作为业界绝对主流的HotSpot虚拟机，它内部的垃圾收集器全部都基于“经典分代”来设计，需要新生代、老年代收集器搭配才能工作。但是到了今天，HotSpot里面也出现了不采用分代设计的新垃圾收集器。

如果从分配内存的角度看，所有线程共享的Java堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer，TLAB)，以提升对象分配时的效率。不过无论从什么角度，无论如何划分，都不会改变Java堆中存储内容的共性，无论是哪个区域，存储的都只能是对象的实例，将Java堆细分的目的只是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。

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Out Of Memory Error 异常。

1.5 方法区（线程共享）

方法区用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。
“永久代”和方法区。本质上这两者并不是等价的，永久代可以看作是方法区的实现。到了JDK7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JDK8，完全废弃了永久代的概念，改用使用元空间(Meta-space)来代替，把JDK7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。

如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出Out Of Memory Error 异常。

运行时常量池是方法区的一部分。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。

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 Out Of Memory Error 异常。

2. 对象

2.1 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。

在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定，为对象分配空间的任务实际上便等同于把一块确定大小的内存块从Java堆中划分出来。

假设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，这种分配方式称为“指针碰撞”(BumpThePointer)。

如果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，那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，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空间压缩整理(Compact)的能力决定。因此，当使用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；而当使用CMS这种基于清除(Sweep)算法的收集器时，理论上就只能采用较为复杂的空闲列表来分配内存。
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。

内存分配完成之后，虚拟机必须将分配到的内存空间(但不包括对象头)都初始化为零值，如果使用了TLAB的话，这一项工作也可以提前至TLAB分配时顺便进行。这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，访问到的是这些字段的数据类型所对应的零值。
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。
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。但是从Java程序的视角看来，对象创建才刚刚开始----构造函数，即Class文件中的（）方法还没有执行，所有的字段都为默认的零值，对象需要的其他资源和状态信息也还没有按照预定的意图构造好。一般来说(由字节码流中new指令后面是否跟随invokespecial指令所决定，Java编译器会在遇到new关键字的地方同时生成这两条字节码指令，但如果直接通过其他方式产生的则不一定如此)，new指令之后会接着执行()方法，按照程序员的意愿对对象进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全被构造出来。

2.2 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)。
HotSpot虚拟机对象的对象头部分包括两类信息。第一类是用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码、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，在其他状态(轻量级锁定重量级锁定、GC标记、可偏向)下对象的存储内容如表所示。

对象头的另外一部分是类型指针，即对象指向它的类型元数据的指针，Java虚拟机通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。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。
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。

2.3 对象的访问定位

创建对象自然是为了后续使用该对象，我们的Java程序会通过栈上的reference 数据来操作堆上的具体对象。reference 类型是一个指向对象的引用，实现方式主要有使用句柄和直接指针两种:

1. 如果使用句柄访问的话，Java堆中将可能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具体的地址信息。

2. 如果使用直接指针访问的话，Java堆中对象的内存布局就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference中存储的直接就是对象地址，如果只是访问对象本身的话，就不需要多一次间接访问的开销。

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本身不需要被修改。

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)，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。

3. 内存分配与回收

Java技术体系的自动内存管理，最根本的目标是自动化地解决两个问题：自动给对象分配内存以及自动回收分配给对象的内存。对于回收内存这方面，即虚拟机中的垃圾收集器体系以及运作原理。现在主要介绍给对象分配内存的那些事儿。
对象的内存分配，从概念上讲，应该都是在堆上分配。在经典分代的设计下，新生对象通常会分配在新生代中，少数情况下(例如对象大小超过一定阈值)也可能会直接分配在老年代。对象分配的规则并不是固定的,这取决于虚拟机当前使用的是哪一种垃圾收集器，以及虚拟机中与内存相关的参数的设定。

3.1 对象优先在Eden分配

大多数情况下，对象在新生代Eden区中分配。当Eden区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次 Minor GC。
HotSpot虚拟机提供了-XX:+PrintGCDetails这个收集器日志参数，告诉虚拟机在发生垃圾收集行为时打印内存回收日志、并且在进程退出的时候输出当前的内存各区域分配情况。

3.2 大对象直接进入老年代

大对象就是指需要大量连续内存空间的Java对象，最典型的大对象便是那种很长的字符串，或者元素数量很庞大的数组。大对象对虚拟机的内存分配来说就是一个不折不扣的坏消息，比遇到一个大对象更加坏的消息就是遇到一群“朝生夕灭”的“短命大对象”，我们写程序的时候应注意避免。

在Java 虚拟机中要避免大对象的原因是，在分配空间时，它容易导致内存明明还有不少空间时就提前触发垃圾收集，以获取足够的连续空间才能安置好它们，而当复制对象时，大对象就意味着高额的内存复制开销。HotSpot虚拟机提供了-XX:PretenureSizeThreshold参数，指定大于该设置值的对象直接在老年代分配，这样做的目的就是避免在Eden区及两个Survivor区之间来回复制，产生大量的内存复制操作。

3.3 长期存活的对象进行老年代

HotSpot虚拟机中多数收集器都采用了分代收集来管理堆内存，那内存回收时就必须能决策哪些存活对象应当放在新生代，哪些存活对象放在老年代中。为做到这点，虚拟机给每个对象定义了一个对象年龄(Age)计数器，存储在对象头中。对象通常在Eden 区里诞生，如果经过第一次Minor GC后仍然存活，并且能被Survivor 容纳的话，该对象会被移动到Survivor空间中，并且将其对象年龄设为1岁。对象在Survivor区中每熬过次Minor GC，年龄就增加1岁，当它的年龄增加到一定程度(默认为15)，就会被晋升到老年代中。对象晋升老年代的年龄阈值，可以通过参数-XX:MaxTenuringThreshold设置。

3.4 动态对象年龄判断

为了能更好地适应不同程序的内存状况，HotSpot虚拟机并不是永远要求对象的年龄须达到 -XX:MaxTenuringThreshold才能晋升老年代，如果在Survivor 空间中相同年龄所有对象大小的总和大于 Survivor 空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进老年代，无须等到-XX:MaxTenuringThreshold 中要求的年龄。

3.5 空间分配担保

在发生MinorGC之前，虚拟机必须先检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象总空间，如果这个条件成立，那这一次Minor GC可以确保是安全的。如果不成立，则虚拟机会先查看-XX:HandlePromotionFaiure参数的设置值是否允许担保失败；如果允许，那会继续检查老年代最大可用的连续空间是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小，如果大于，将尝试进行一次Minor GC，尽管这次Minor GC是有风险的；如果小于，或者-XX:HandlePromotionFailure 设置不允许冒险，那这时就要改为进行一次 Full GC。

JDK6Update 24之后的规则变为只要老年代的连续空间大于新生代对象总大小或者历次晋升的平均大小，就会进行 Minor GC，否则将进行 Full GC。