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Java内存机制 ​

更新: 5/6/2025 字数: 0 字 时长: 0 分钟

如果想要理解JVM，那么我们就要知道JVM存在的意义是什么。

在C语言中，如果我们主动的去申请了一段空间，如何申请，申请后那么就需要后续通过free的方式去将其释放掉。我相信大多数熟练的工程师应该不会忘掉free的这一步骤，但是这一步骤实在显得有些麻烦，且何时free也是一个问题。

为了简化工程师的思考，方便程序员进行编程，Java决定将这一过程交给JVM去处理，而本文则是去试图阐述这一过程。

存储 ​

我们都知道，数据在我们是存储在我们的电脑内存中的，那么究竟是如何存储的呢？

首先，根据线程的关系，我们可以将其分为 线程私有和线程共有 这两部分。

其中

线程私有的：

  • 程序计数器
  • 虚拟机栈
  • 本地方法栈

线程共享的：

  • 堆
  • 方法区
  • 直接内存 (非运行时数据区的一部分)

接下来我们试着依次去解释这些东西。

程序计数器——靠地址控制代码顺序 ​

我们都知道，在并发环境下，多个线程是依次执行的，在线程切换的过程中，我们需要找一个区域去存放我们的程序现在执行到了何处/下一行代码该执行哪个，这就是程序计数器要完成的任务。

由于控制着下一条命令的选取，因此字节码解释器只需要对程序计数器进行修改就可以完成循环，判断等复杂操作。

由于记录的是当前程序要执行的下一条，因此程序计数器是线程私有的。

由于程序计数器维护的是一个动态变化的东西（即下一条指令是什么/只是记录一个固定量的东西），且会随着线程的结束而消亡，因此不会OOM

Java虚拟机栈——方法的顺序（“栈帧”：方法内东西的存放处） ​

刚刚提到程序计数器是用来维护“下一条”指令来完成指令的选取，只有程序计数器显然是远远不够的（很明显，程序计数器更加“瞬时”一点），我们还需要一个稍微相对程序计数器宏观，长远一点的东西来配合程序计数器，这就是——Java虚拟机栈。

当我们的线程调用一次方法（Native方法除外），就会被塞进来一个栈帧，栈帧中存放了一个方法执行所需的所有东西，其中包含局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址。

当一个方法执行完后，我们就会将栈帧弹出。

接下来我们试着去解释一下虚拟机栈的各个部分。

  • 局部变量表：局部变量表存放该栈帧用到的所有局部变量（包含基本类型变量与对象类型变量的引用）。
  • 动态链路：在方法的使用时，常常会出现一个方法调用另一个方法的过程，这一过程需要我们从常量池中的方法引用（就像方法指针一样），转化为内存地址中的直接引用，这一过程由动态链路完成，又被称为动态连接。
  • 操作数栈：主要存放一些临时的变量（举个例子，我们再算1+1+1的过程其实是先算1+1=2，再算2+1=3，这一过程的2不会被一个局部变量表中的变量记住，因此就需要放到一个新的空间，即操作数栈）
  • 操作返回地址：记录了当前方法执行完后/异常退出后应该去到什么地方

本地方法栈 ​

与虚拟机栈并无很大的不同，只是服务于本地方法而已。（在Hotpot虚拟机中该区甚至和Java虚拟机栈合二为一）

堆——实例的真正存放处/垃圾回收堆 ​

之前提到过，局部变量表中存放的是对象的引用，那对象本身在什么地方呢？答案是堆。几乎所有的对象都是在堆上创建的

在JDK1.7之后随着 JIT 编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟（1.7后默认开启逃逸分析），部分对象会在栈上创建。

由于我们的垃圾回收主要就是在堆上完成，因此堆又被成为GC堆（Garbage Collected Heap，垃圾回收堆），由于回收采取分代回收，因此又可分为新生代和老年代；再细致一点有：Eden、Survivor、Old 等空间

在 JDK 7 版本及 JDK 7 版本之前，堆内存被通常分为下面三部分：

  1. 新生代内存(Young Generation)——内含Eden，S0，S1三块区域
  2. 老生代(Old Generation)
  3. 永久代(Permanent Generation)

JDK 1.8后 永久代被元空间(MetaSpace)取代，不再是堆的一部分，直接使用本地内存进行管理。

新生的对象被存放在Eden中，等待着垃圾回收的降临，在一次新生代垃圾回收完成后，若还存活，则对象进入S0或是S1区域（S->Survivor，幸存者），同时年龄+1，当Survivor区中的对象年龄达到一定的大小（一般为15岁），则会背晋升到老年代。对象晋升到老年代的年龄阈值，可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。不过，设置的值应该在 0-15，否则会爆出错误。之所以选择0~15，是因为年龄记录在对象头的前四位，四位二进制数最大为15。

进而我们来介绍以下JVM中一个对象真正的样子。

对象在内存中存储的布局可以分为 3 块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding） 其中，对象头包括两部分：标记字段（Mark Word）和类型指针（Klass Word）

而我们的年龄就是放在标记字段当中。

有关垃圾回收何时进行与如何进行，我们将会在另一篇文章中讲到

方法区——类信息存放处 ​

在讲永久代之前我们先来说一下方法区。

我们写的代码会被编译成class文件，而class文件在使用时并不会使用一次解析一次，而是会在解析完后将解析出的内容存入一个区域，进而减少解析与读取的次数。

这个存放的区域就是方法区。

方法区会存储已被虚拟机加载的 类信息、字段信息、方法信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。

方法区和永久代有什么关系呢？

方法区实际上是《Java虚拟机规范》定义的一个标准，该文章要求每一个Java虚拟机上都应该有永久代这么一个空间，用来存放虚拟机加载的 类信息、字段信息、方法信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。但是如何完成这一过程《规范》并不关心。

永久代就是HotSpot虚拟机对于方法区的实现方式，而在JDK1.8后，这个实现又被改成了元空间。

运行时常量池 ​

**常量池(Constant Pool)主要存放的是字面量（Literal Constants)和符号引用（Symbolic References **

字面量是源代码中的固定值的表示法，即通过字面我们就能知道其值的含义。字面量包括整数、浮点数和字符串字面量。常见的符号引用包括类符号引用、字段符号引用、方法符号引用、接口方法符号。

举个例子

java
int a=1;  // 这个1就是所谓的直面量
boolean isJavaFun = true;  //同样的这个true也是
String str="123"; //字符串字面量：“123”

不难发现这些量都能直接反应其代表的值，需要注意的是，null和.class获取的数据也是字面量

这些数据被存放到运行时常量池中。

符号引用（Symbolic References）： 这些不是具体的对象实例，而是对类、方法、字段等的间接引用，比如类的全限定名、字段的名称和类型描述符、方法的名称、参数和返回值描述符等。这些会在运行过程中被解析为直接引用（内存地址）。

字符串常量池 ​

在我们创建字符串时，一个字面量其实就相当于创建了一个字符串作为中间变量，为了解决时间，Java开辟了一个空间来存放之前创过的字符串，这个空间就是字符串常量池。

JDK1.7前，字符串常量池存放在永久代中，但为了提高GC的效率，JDK1.7及后续版本将字符串常量池移入了堆中。

直接内存 ​

那么Java就没有能完全越过JVM直接沟通内存的方式了吗？

有的兄弟，有的。

直接内存是一种特殊的内存缓冲区，并不在 Java 堆或方法区中分配的，而是通过 JNI 的方式在本地内存上分配的。

这一过程的意义在于越过了JVM，实现了真正的高风险（容易内存泄漏），高效率（再见JVM）。

我们的NIO与Netty框架之所以有如此高的效率也是得益于直接内存区的存在。

对象的创建 ​

说了这么多，Java的对象究竟是如何创建出来的呢？

  1. 类加载检查 Java会先检查你new的这个对象是否已经被加载过（被放入了元空间），如果已经加载过了，那么直接使用，否则去加载
  2. 分配内存 加载完成后，JVM会尝试为新创建的类寻找一块空白的空间去使用，分配方式有 “指针碰撞” 和 “空闲列表” 两种，由堆来选择使用哪种方式
    • 指针碰撞： 使用过的内存全部整合到一边，没有用过的内存放在另一边，中间有一个分界指针，只需要向着没用过的内存方向将该指针移动对象内存大小位置即可。
    • 空闲列表： 虚拟机会维护一个列表，该列表中会记录哪些内存块是可用的，在分配的时候，找一块儿足够大的内存块儿来划分给对象实例，最后更新列表记录
  3. 初始化零值 内存分配完成后，虚拟机会先将这段内存用零来完全填充满（不包括对象头），这一步保证了实例对象即使不符初值仍然能直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。
  4. 初始化对象头 赋完零后，Java虚拟机就要堆对象进行一些必要的设置，比如存放对象的年龄，对象的Hash值，对象属于的类，对象的数据信息等，这些信息均放在对象头中
  5. 执行init方法 在上面的方法都完成后，对于虚拟机来说其实一个对象已经创建完成了，但对于一个Java程序来说，对象的创建这时才刚刚刚开始，< init >fan方法还没有执行，所有字段均是初值，只用进行了< init >方法，对象才能按照程序员的意愿进行初始化

对象的访问定位 ​

对象是创建在内存上的，而Java 程序通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。（即引用）

对象的访问方式往往由JVM来决定，目前主流的方式为： 使用句柄、直接指针

这两者都存在于堆上

句柄

如果使用句柄，那么 Java 堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，reference先指向句柄在句柄池中的地址，而句柄中包含了对象实例数据（堆上，有时被称为实例池）与对象类型数据各自的具体地址信息（元空间中的数据）。

直接指针

如果使用直接指针访问，reference 中存储的直接就是对象的地址。(省掉了句柄与句柄池)

句柄相对直接指针的优势在于reference是稳定的，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。

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