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前言：学习Java虚拟机的第一步，是了解Java程序在运行过程中的内存结构。

一、Java内存区域

Java程序在运行过程中，其内存区域大致分为这么几大块，如下图

下面针对图中的各区域，进行详细说明。

二、线程隔离的数据区

如图所示，对Java内存区域细分，可分为这么两大块，分别是线程共享的内存区域和线程不共享的内存区域。其划分标准是该内存区域是否与线程同生共死，即以是否为单条线程的数据载体作为划分依据。我们先来看下线程不共享的内存区域。

1、程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块小区域，可以看作线程所执行的字节码的行号指示器。为了描述清晰，我们以代码为例，如下

// 简单地代码翻译成字节码理解
int sum = 0;
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    sum += i;   
}

它的作用就是标识需要运行的代码，在这里可以理解为下面几个步骤

• 程序计数器先指到第一行，逻辑往下
• 接着指到第二行，逻辑往下
• 接着指到第三行，逻辑往上
• 接着指到第二行，逻辑继续往下
• 重复….

上面只是一个简单的例子，实际上，在字节码的层次上，代码逻辑上的分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖程序计数器来完成。

需要注意的是如果某个线程正在执行Java方法，那么这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令地址；而如果正在执行的是Native方法，那么这个计数器为空。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、Java虚拟机栈

Java虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机中入栈到出栈的过程。由于栈桢是虚拟机栈的栈元素，下面对栈桢的成员进行基本说明

• 局部变量表：存放了方法参数和方法内部定义的局部变量。
• 操作数栈：是一个后入先出（LIFO）栈，存放着待操作的元素。
• 动态链接：存放动态链接信息。
• 方法返回地址：存放着方法返回地址信息。

以代码为例，如下

public static int test(int i) {
    int j = 1;
    return i + j;;
}

我们可以这么看，当执行这个方法时，Java虚拟机栈对代表该方法的栈桢进行入栈，入栈后对栈桢进行操作；当这个方法运行结束时，即代表Java虚拟机栈对该栈桢操作完成，该栈桢出栈。

3、本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用非常相似，它们之间的区别是本地方法栈为Native方法服务。值得一提的是，在HopSpot虚拟机中（JDK默认的虚拟机），直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一了。

三、线程共享的数据区

线程共享的内存区域，意味着这些内存区域是为整个Java内存区域服务的，意味着，每条线程都可以访问。

1、Java堆

Java堆是Java虚拟机所管理内存中最大的一块。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有对象的实例都在这里分配内存，也被称为GC堆。Java堆是垃圾收集器管理的主要区域（后面再详细介绍）。

2、方法区

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数据。也叫非堆（Non-Heap），另外在HopSpot虚拟机上，又称为永久代（Permanent Generation）（后面再详细介绍）。

3、运行时常量池

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（Constant Pool Table），用于存放编译期（.java到.class的过程）生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后存入方法区的运行时常量池。其中

• 字面量：如文本字符串、声明为final的常量值等
• 符号引用 ：大致包含三类常量：类和接口的全限定名、字段的名称和描述符、方法的名称和描述符

以代码为例，如下

public class Test extends Test1 implement Test2 {
    private String str = "123";
    private Test3 test3;
    public static void test(){}
}

那么在编译过后，这个类的所有元素（类声明、字段声明、方法声明），都是被详细保存进入了运行时常量池。

四、对象的本质

在了解完Java的各内存区域后，接下来，我们深入了解一下对象创建的大致过程。这里以HotSpot虚拟机为例。

1、分配内存

当Java虚拟机确定要创建一个对象时，首先要为新生对象分配内存空间。分配内存的任务等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来（类加载后便可完全确定）。之后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值（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）。

2、内存布局

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。其中

• 对象头：分为两部分信息，第一部分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；另一部分是类型指针，即对象指向它的元数据的指针，虚拟机通过这个确定这个对象是哪个类的实例（类信息存储在方法区中），如下图。
• 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。无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的，都需要记录下来。
• 对齐填充：并不是必然存在的，只是一个为了迎合虚拟机对字节码的规范，起一个占位符的作用。

3、访问

建立对象是为了使用对象，我们的Java程序需要通过Java虚拟机栈上的reference数据来操作Java堆上的具体对象。在HotSpot虚拟机上，采用的是直接指针访问法，即reference中存储的就是对象地址，而对象地址里面存储着指向对象类型数据的指针。因此，一个reference是可以完全确定一个对象的，过程如下图

4、小结

通过上面，我们知道一个对象的创建，大致是这样的

• 首先Java虚拟机为对象划分确定数量的内存，并对这些内存进行初始化（赋零值）。
• 分配内存后，按照Java虚拟机的规定，把对象的信息写进相应的内存区域。
• 写完后，虚拟机栈可以通过这个对象的引用，来操作这个对象。

五、内存溢出

1、内存限制参数

参数	说明
-Xms	设置堆的最小值，如-Xms20m，设置堆最小值为20M
-Xmx	设置堆的最大值，当最小堆值等于最大堆值时，堆不会自动扩展,
-Xmn	设置新生代的容量，如-Xmn20m，HotSpot默认Eden:Survivor = 8:1，新生代:老年代=1:2
-Xss	设置栈内存的容量，如-Xms20m，设为栈内存容量为20M
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError	出现内存溢出异常时，导出内存堆快照

本节的目的有两个：

• 通过代码验证Java虚拟机规范中描述的各个运行时区域存储的内容。
• 对内存溢出有基本的认识，包括什么样的代码可能导致内存溢出，及如何解决内存溢出的问题。

以下代码结果基于JDK1.8，HotSpot虚拟机。由于条件限制，列举两个。

2、Java堆溢出

原理：限制Java堆的大小，通过不断地创建对象，并保证GC Roots到对象之间有可达路径来避免垃圾回收机制清除这些对象，那么在对象数量达到最大堆的容量限制后，就会产生内存溢出异常。验证代码如下

/**
 * VM Args:-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 */
public class HeapOOM {
    static class OOMObject {    
    }
    public static void main(String[] args) {
        List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();
        while(true) {
            list.add(new OOMObject());
        }
    }
}
// 结果如下：
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid10172.hprof ...
Heap dump file created [27963640 bytes in 0.394 secs]

3、虚拟机栈溢出

原理：一个方法的执行，就代表一个栈桢出入虚拟机栈的过程。通过方法自身嵌套式的调用，可以使得栈桢深度超出Java虚拟机栈的深度，从而产生溢出。验证代码如下

/**
 * VM Args:-Xss128k
 * HotSpot虚拟机中不区分虚拟机栈和本地方法栈
 */
public class JavaVMStackSOF {
    private int stackLength = 1;
    public void stackLeak() {
        stackLength++;
        stackLeak();
    }
    public static void main(String[] args) {
        JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();
        try {
            oom.stackLeak();
        }catch(Throwable e) {
            System.out.println("stack length : " + oom.stackLength);
            throw e;
        }
    }
}
// 结果如下
stack length : 1625
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
    at first.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:12)
    at first.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:12)
    at first.JavaVMStackSOF.stackLeak(JavaVMStackSOF.java:12)

六、说明

本系列博客（Java虚拟机系列）参考自《深入理解Java虚拟机》-周志明。感谢作者的知识分享、耕耘创作!

总访问次数: 294次, 一般般帅 创建于 2017-10-01, 最后更新于 2020-06-25