文章目录

内存管理
- 1 运行时数据区域
- - 1.1 程序计数器
  - 1.2 虚拟机栈
  - 1.3 本地方法栈
  - 1.4 堆
  - 1.5 方法区
  - - 1.5.1 运行时常量池
- 2 HotSpot虚拟机对象的创建
- - 2.1 类加载检查
  - 2.2 分配内存
  - 2.3 初始化零值
  - 2.4 设置对象头
  - 2.5 执行init方法
- 3 HotSpot虚拟机对象的内存布局
- - 3.1 对象头
  - 3.2 实例数据
  - 3.3 对齐填充
- 4 HotSpot虚拟机对象的访问定位

内存管理

1 运行时数据区域

1.1 程序计数器

较小的内存空间，记录当前线程执行的位置，使得线程切换后可以恢复到正确的执行位置

如果执行的是Java方法，记录正在执行的虚拟机字节码指令的地址

如果执行的是native方法，计数器值为空

1.2 虚拟机栈

每个方法执行时，虚拟机会同步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。每一个方法调用直到执行完毕，对应着一个栈帧的入栈到出栈

局部变量表存放了基本数据类型和对象的引用，局部变量表的内存空间在编译期间完成分配

如果线程请求的栈深度大于虚拟机设定的深度，抛出StackOverflowError异常

如果栈容量可以动态扩展，而无法申请到足够的容量，抛出OutOfMemoryError异常

1.3 本地方法栈

与虚拟机栈相似，只是用于执行本地方法

1.4 堆

虚拟机所管理的内存中最大的一块，在虚拟机启动时创建，用于存放对象实例

垃圾收集器管理的区域

TLAB：堆可以提前划分出多个线程私有的分配缓冲区TLAB，提升对象分配时效率

堆可以处于物理上不连续的内存空间，逻辑上连续

1.5 方法区

存储已加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等

不常使用垃圾回收，回收主要针对常量池

1.5.1 运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分，Class文件中的常量池表用于存放编译器生成的字面量和符号引用，存放在此处

2 HotSpot虚拟机对象的创建

2.1 类加载检查

首先检查new指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的引用，并检查这个符号引用代表的类是否已经加载过。如果没有，则执行类加载过程

2.2 分配内存

对象所需的内存大小在类加载完成后便可确定，分配方式有指针碰撞和空闲列表

指针碰撞：假设堆中的内存是规整的，一边是使用过的内存，一边是空闲的内存，中间用一个指针标识，分配内存只是将指针往空闲的一边移动

空闲列表：假设堆中的内存不是规整的，虚拟机维护一个空闲列表，分配内存就是寻找空闲列表中一块足够大的内存区域

并发环境下分配内存方式

采用CAS+失败重试保证更新操作的原子性
使用TLAB本地线程分配缓冲，分配到线程对应的堆位置

2.3 初始化零值

虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），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

2.4 设置对象头

初始化零值完成之后，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头中。另外，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

2.5 执行init方法

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，对象创建才刚开始，init方法还没有执行，执行 new 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

3 HotSpot虚拟机对象的内存布局

对象在堆中的内存布局分为三个部分：对象头、实例数据、对齐填充

3.1 对象头

对象头包括两部分信息

第一部分用于存储对象自身的运行时数据（哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志等等）

另一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是那个类的实例

3.2 实例数据

实例数据部分是对象真正存储的有效信息

3.3 对齐填充

对齐填充部分不是必然存在的，也没有什么特别的含义，仅仅起占位作用。因为 Hotspot 虚拟机的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是 8 字节的整数倍，换句话说就是对象的大小必须是 8 字节的整数倍。而对象头部分正好是 8 字节的倍数（1 倍或 2 倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全

4 HotSpot虚拟机对象的访问定位

Java 程序通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。对象的访问方式由虚拟机实现而定，目前主流的访问方式有句柄和直接指针

句柄： 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

直接指针：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的地址

使用句柄来访问的最大好处是 reference 中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动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最大的好处就是速度快，它节省了一次指针定位的时间开销

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