Java 虚拟机内存模型

内存构造篇

1、内存构造简介

• 程序计数器：

  • 以后线程所执行的字节码行号指示器；
  • 分支、循环、跳转等管制；
  • 当执行的是 java 办法时是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；
  • 当执行的是 Native(JNI)办法时该指针为空；
  • 没有（out of memory error）OOM。

• 栈：

  • 生命周期与线程雷同；
  • 每个办法执行时都会创立一个栈帧（stack frame）；
  • 用于存储局部变量表、操作数栈、动静链接、办法进口等信息；
  • 每个办法从调用到执行成的过程对应栈帧在栈中入栈到出栈的过程；
  • 栈深过大会 StackOverFlowError；内存不足会 OOM；

• 本地办法栈：

  • Native method stack，跟栈一样，栈服务于 java 办法，本地办法栈服务于 native 办法（JNI），局部虚拟机是合并的。

• 堆：

  • 所以线程共享；
  • 寄存对象实例；
  • 垃圾回收的次要区域；
  • 物理内存上能够不间断；
  • 会有 OOM 问题；

• 办法区：

  • 线程共享；
  • 用于存储曾经被虚拟机加载的 类信息，常量、动态变量 等；
  • 类的加载、卸载、常量池回收均产生在此；
  • 内存不足会有 OOM ;
  • 运行时常量池：办法区一部分，寄存编译期间生成的各种字面量和符号援用，具备动静个性，内存不足也会 OOM；** 运行时常量池时放在办法区（1.8 改名放在元空间）

• 间接内存：

  • 与 JVM 定义内存区域无关，不归 JVM 治理；
  • 内存不足也会 OOM；
  • native 库间接调配的堆外内存；不会回收。例如 Netty 缓冲区，不须要回收，能够重复用。

2、栈和栈帧

栈帧：一个办法对应一个栈帧区域，先进后出 FILO，压栈再出栈。

操作数栈: 是各种运算产生的场合, 各种数据在进行运算时都会弹入操作数栈，而后后果会弹出操作数栈。

办法进口: 存储的是以后办法执行结束之后应该返回到上一级办法的地位。

3、堆内存逻辑分区

4、元空间

办法区又称永恒代在 1.8 称为元空间。

元空间替换永恒代起因

​ 1、Java7 及以前版本的 Hotspot 中办法区位于永恒代中。同时，永恒代和堆是互相隔离的，但它们应用的物理内存是间断的。永恒代的垃圾收集是和老年代捆绑在一起的，因而无论谁满了，都会触发永恒代和老年代的垃圾收集。

​ 2、元空间存在于本地内存，意味着只有本地内存足够，它不会呈现像永恒代中“java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space”这种谬误。看上图中的办法区，是不是“收缩”了。默认状况下元空间是能够有限应用本地内存的，但为了不让它如此收缩，JVM 同样提供了参数来限度它应用的应用。

​ 外表上看是为了防止 OOM 异样。因为通常应用 PermSize 和 MaxPermSize 设置永恒代的大小就决定了永恒代的下限，然而不是总能晓得应该设置为多大适合, 如果应用默认值很容易遇到 OOM 谬误。当应用元空间时，能够加载多少类的元数据就不再由 MaxPermSize 管制, 而由零碎的理论可用空间来管制。

​ 更深层的起因还是要合并 HotSpot 和 JRockit 的代码，JRockit 素来没有所谓的永恒代，也不须要开发运维人员设置永恒代的大小，然而运行良好。同时也不必放心运行性能问题了, 在笼罩到的测试中, 程序启动和运行速度升高不超过 1%，然而这点性能损失换来了更大的平安保障。

​ 总结：

• ​ 永恒代：GC 不会再程序运行期间对永恒代进行垃圾回收，这会导致 OOM。
• ​ 元数据空间：不存在虚拟机中，而是应用本地内存，大小由零碎理论可用内存管制。

元空间配置参数

-XX:MetaspaceSize，class metadata 的初始空间配额，以 bytes 为单位，达到该值就会触发垃圾收集进行类型卸载，同时 GC 会对该值进行调整：如果开释了大量的空间，就适当的升高该值；如果开释了很少的空间，那么在不超过 MaxMetaspaceSize（如果设置了的话），适当的进步该值。-XX：MaxMetaspaceSize，能够为 metadata 调配的最大空间，默认是没有限度的。-XX：MinMetaspaceFreeRatio, 在 GC 之后，最小的 Metaspace 残余空间容量的百分比。-XX:MaxMetaspaceFreeRatio, 在 GC 之后，最大的 Metaspace 残余空间容量的百分比。

5、常量池

常量池

​ Class 能够了解为 Class 文件的资源仓库.class 文件中除了蕴含类的版本、字段、办法、接口等形容信息，还有一项就是常量池，常量池中用于寄存编译期间生成的各种字面变量和符号援用。

​ 八中根本类型中 byte、short、integer、long、char 等在值小于等于 127 应用对象池，即不负责创立和治理大于 127 的对象。

字符串常量池

1. 字符串的调配和其余的对象调配一样，消耗昂扬的工夫和空间代价，作为根底数据，大量创立字符串影响程序性能。
2. JVM 为了进步性能和缩小开销，在实例化字符串常量时进行了优化。

• 为字符串开拓一个字符串常量池，相似缓存区。
• 创立字符串常量是，先查看字符串常量池是否存在该字符串。
• 存在则返回该字符串的援用，不存在时则实例化该字符串并放入池中（String s=new String(“abc”); 这种形式会新建出字符串，与常量池的不同）。

例子：

String s1 = "abc"; String s2 = "abc"; String s3 = new String("abc"); String s4 = new String("abc"); s1==s2    s2!=s3    s3!=s4

例题 1：String str=new String(“abc”); 创立了多少个对象？

答：创立过程如下：

1. 在常量池查找 ”abc” 对象，有则返回对应的援用实例，没有则在常量池创立对应实例对象。
2. 在堆中 new 一个 String(“abc”)对象。
3. 将对象地址赋值给 str，创立一个援用。

因而，常量池没有 ”abc” 字面量则创立两个对象，否则创立一个对象以及创立一个对象的援用。

例题 2：String str=new String(“a”+”b”); 创立了多少个对象？

答：字符串常量池：a、b、ab。

​ 堆：new String(“ab”)。

​ 援用：str。

共计 5 个。

6、TLAB

​ TLAB（Thread Local Allocation Buffer）线程本地调配缓冲区。

​ JVM 调配对象是优先调配到线程栈上，栈上调配不了的（如对象较大）则间接调配在 Old 区；如果对象不大，优先调配在栈上的 TLAB 上。

​ TLAB 是在 Eden 区的专门的内存空间，为了避免在 Eden 区调配空间的多线程竞争资源，JVM 为每个线程在 Eden 区上调配的专属内存空间即 TLAB。

内存调配和对象布局篇

1、JOL 对象内存布局

Java Object Layout 对象的内存布局：即对象在内存中如何散布的。

数组对象：markword(8) + classPointer(4) + 数组长度(4) + 实例数据 + 对齐

Ps：压缩指针和压缩一般对象指针：

应用 java -XX:+PrintCommandLineFlags -version 命令能够看到蕴含以下信息：

显示：-XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops，

其中 -XX:+UseCompressedClassPointers 是应用压缩类指针，原先是 8 字节，因为 8 字节 =8×8=64 位，2^64 位寻址空间太大，因而没必要应用 8 字节，因而应用了压缩成 4 字节的压缩指针，4 字节的寻址能力：48=32 位，2^32=4G(2^10=1024=1KB 2^20=1M 2^30=1G) 又因为 JVM 是 8 字节一寻址，也就是每 8 字节作为一个单位，因而理论寻址能力 4G8=32G，ZGC 号称最大可能应用 4T 的内存，ZGC 应用 8 字节作为 ClassPointer 其中有 42 位为类指针，4 位为色彩指针，2^42=4T。

其中 -XX:+UseCompressedOops 是示意应用压缩对象指针进行寻址，两个指令应该是一对的。

敞开压缩指针 -XX:-UseCompressedClassPointers -XX:-UseCompressedOops 指令。

2、为新对象分配内存的形式

• 内存规整：间接挪动指针到未被应用的区域（指针碰撞），须要带压缩的 GC：Serial、ParNew 等带 compact 的垃圾回收器。
• 内存不规整：闲暇列表保护可用空间，例如：CMS 等基于 mark-sweep 的垃圾回收器。

3、内存调配的线程平安

​ CAS 保障，每个线程在 jvm 事后调配了内存，称为本地线程调配缓冲区 TLAB，并同步锁定。

4、对象的拜访定位

​ 栈上的 reference 数据操作具体堆上的对象有 句柄和间接指针 两种形式。

​ 句柄形式：jvm 堆上划分内存来作为句柄池，援用时援用存储对象的句柄地址，句柄中蕴含对象实例数据和类型数据的各自具体地址信息。

​ 长处：援用不必批改，比较稳定，对象挪动如垃圾回收只有扭转句柄值即可。

​ 间接指针：援用间接援用对象地址，对象中蕴含类型数据指针，指向办法区 class。

​ 长处：速度快。

5、对象的创立过程

• new 指令，开拓空间（申请、初始化），这里的初始化是半初始化，还是默认值，例如对象中有变量 int i=8; 此时初始化后 i =0 即默认值，所以称为半初始化。
• invokespecial , 构造方法，赋值（真正的初始化，i=8）。
• astore, 对象建设关联，栈空间与堆空间建设关联。
• 首次拜访对象。

  其中 2、3 两部会产生指令重排。

6、对象逃逸

JVM 的 3 中运行模式:

​ 解释模式：只应用解释器，执行一行 JVM 字节码就编译一行为机器码。这样能更快的看到程序的执行成果，然而执行的成果并不一定最快。适宜执行一次的代码模块。

​ 编译模式：只应用编译器, 先将所有的 JVM 字节码一次编译为机器码, 而后一次性执行所有机器码。这样启动的稍慢，但执行完很快，适宜重复执行的代码模块；

​ 混合模式：仍然采纳解释模式, 然而对于一点热点代码采纳编译模式, 并把对应的字节码缓存起来。JVM 个别采纳混合模式。

对象逃逸剖析：

public User t1(){User user = new User();
    user.setId(1);
    user.setName("sz");
    // 写入数据库
    return user;
}

public User t2(){User user = new User();
    user.setId(1);
    user.setName("sz");
    // 写入数据库
}

t1 对象会被其余援用，作用范畴不显著；t2 对象不会被其余线程援用，间接调配到以后线程。

对象逃逸剖析的 JVM 参数: -XX:+DoEscapeAnalysis(开启)-XX:DoEscapeAnalysis(敞开)。

JDK1.7 之后默认开启，但如果栈空间有余会调配到堆空间。逃逸剖析产生在编译期间。