运行时数据区域

JVM在运行Java程序的过程中会把他所管理的内存划分为如果个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进行的启动而存在，有些区域则一来用户线程的启动和结束而建立和销毁。包括：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、Java堆、方法区、运行时常量池、直接内存。

数据区域

程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型中，字节码解释器工作时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，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JVM的多线程是通过线程轮转切换并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，各条线程之间程序计数器互不影响，独立存储。我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的就是正在执行的虚拟机字节码的地址；如果正在执行的是Native的方法，这个计数器则为空（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OOM情况的区域。

Java虚拟机栈

与程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。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（Stack Frame）用于存储布局变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息，每一个方法从调用直到执行完成的过程，就对应一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

经常有人把Java内存区域分成堆内存和栈内存，这种方法比较粗糙，Java内存区域实际上远比这个要复杂。这种划分的流行只能说明大多数程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块。其中所指的“栈”就是虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中的局部变量表。

局部变量表存放了编译期可知的基本数据类型、引用对象和returnAddress对象

• 数据类型：boolean、byte、char、short、int、floatlong、double等
• 引用对象：reference类型，它不等同于对象本身，可能是一个指向对象初始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或者其他对象相关的位置
• returnAddress对象：指向了一个字节码指令的地址

其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型都占用1个。局部变量表所需的内存在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在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。

在JVM规范中，对这个区域规定了2中异常状况：

• 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，会跑出StackOverflowError异常；
• 如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的JVM都可以动态扩展，只不过JVM规范中也允许固定长度的虚拟机栈），如果扩展时无法申请到足够内存，会跑出OOM异常。

本地方法栈

本地方法栈（Native Methord Stack）与虚拟机栈所发挥的作用是非常类似的，他们之间的区别在于虚拟机栈为虚拟机中的Java方法（也就是字节码）提供服务，而本地方法栈则为虚拟机中用到的Native方法服务。在虚拟机规范中，对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制的规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。和虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StackOverflowError异常和OOM异常。

Java堆

对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是JVM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，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。在这一点上，Java虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐步成熟，栈上分配、标量替换优化技术会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐变的不那么绝对了。

Java堆是垃圾回收器管理的主要区域，因此很多时候也叫作GC堆（Garbage Collected Heap）。从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中还可以被细分为新生代和老年代；再细致一点的有Eden控空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。从内存分配的角度讲，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer, TLAB）。不过无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快的分配内存。

根据JVM规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间，只要逻辑上是连续就可以，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。如果堆中没有内存完成实现分配，并且堆也无法在扩展时，将会抛出OOM异常。

方法区

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于从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。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。

对于习惯于HotSpot虚拟机上开发、不熟程序的开发者来说，许多人都更愿意把方法区叫做“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不是等价的，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分带收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样HotSpot的垃圾收集器可以向管理Java堆一样管理这部分内存，能够节省专门为方法区编写内存管理代码的工作。对于其他虚拟机来说不存在永久代的概念。原则上，如何实现方法区术语虚拟机实现细节，不受虚拟机设计规范的约束，但是使用永久代来实现方法区，现在看起来并不是一个号办法，因为这样更容易遇到内存溢出的问题，而且极少数的方法（例如String.intern()）会因为这个原因导致不同虚拟机下有不同的表现。因此对于HotSpot虚拟机，根据官方发布的路线图信息，现在也有放弃永久代逐步改为采用NativeMemory来实现方法区的规划。在目钱已经发布的JDK1.7的HotSpot中，已经把原来放在永久代的字符串常量池移出了。

JVM虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少见的，但是并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样永久，这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说，这个区域的回收效果很难令人满意，尤其是类型卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是必要的。

根据JVM设计规范，当方法区无法满足内存分配的需求时，将抛出OOM异常。

运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）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），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

JVM对Class文件每一部分的（自然也包括常量池）的格式都有严格规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、装在和执行，但是对于运行时常量池，JVM规范没有任何细节的要求，不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需求来实现这个内存区域。不过，一般来说，除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特性是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进图方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量池放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String的intern()方法。

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OOM异常。

直接内存

直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是JVM规范中定义的内存区域。但是这部分内存也被频繁的使用，而且也可能导致OOM异常。

在JDK1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道于缓冲区的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆终端DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样就能在一些场景中显著提高新能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

显然，本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的闲置，但是，既然是内存，肯定会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数的时候，会根据内存设置-Xmx等参数信息，但是经常忽略直接内存，使得各个内存区域和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统的限制），从而导致动态扩展时出现OOM异常。

HotSpot虚拟机对象

对象的创建

Java是一门面向对象的编程语言，在Java程序运行过程无时无刻都有对象被创建出来。在语言层面上，创建对象（例如克隆、反序列化）通常仅仅是一个new关键字而已，而在虚拟机中，对象（我们讨论的对象限于普通Java对象，不包括数组和Class对象等）的创建又是怎么样的呢？

虚拟机遇到一条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、初始化过。如果没有，那么必须先执行相应的类加载过程。

在类加载检查通过后，接下来虚拟机将会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等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。

• 假设Java堆中内存是绝对规整的，所有用过的内存放一边，空闲的内存放在另一边，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像空闲空间那边挪动一小段与对象大小相等的距离，这种分配方式成为“指针碰撞”（Bump the Pointer）。
• 如果Java堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空间的内存相互交错，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，并更新到列表上的记录，这种分配方式成为“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对是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。

因此，在使用Serial、ParNew等带Compact过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，而使用CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器时，通常使用空闲队列。

除了如何划分可用空间外，还有另外一个需要考虑的问题是对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使是仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况选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——实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；
• 另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，就在这个哪个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB时，才需要同步锁定。

内存分配完成后，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），如果使用TLAB，这个工作过程也可以提前至TLAB分配时进行。这一步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。

接下来，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、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的对象头（Object Header）之中。根据虚拟机当前的运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。

上面的工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但从Java程序的视角来看，对象创建才刚刚开始——<init>方法还没有执行，所有的字段都还为零。所以，一般来说（由字节码是否跟对invokespcial指令所决定），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，这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

HotSpot虚拟机的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，如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，这部分数据的产股的在32位和64 位虚拟机中分别为32bit和64bit，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位、64位Bitmap结构所能记录的限度，但是对象头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被设计成一个非固定的数据结构以便在极小控件内存储存尽量多的信息，它会根据对象的状态复用自己的存储空间。例如，在32位HotSpot虚拟机中，如果对象处于未被锁定的状态下，那么Mark Word的32bit空间中的25bir用于存储对象哈希码，4bit用于存储对象分代年龄，2bit用于存储锁标志位，1bit固定为0，其他状态如下：

• 对象头的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。另外，如果对象是一个Java数组，那再对象头中还必须有一块对于记录数组长度的数据，因为虚拟机通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的，都需要记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数和字段在Java源码中定义顺序的影响。HotSpot虚拟机默认的分配策略为longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops(Ordinary Object Pointers)，从分配策略中可以看出，相同宽度的字段总是被分配到一起。在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之前。如果CompactFields参数值为true（默认是true），那么子类之中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中。
• 第三部分对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot VM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，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倍或者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。

对象的访问定位

建立对象是为了使用对象，我们的Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。由于reference类型在JVM虚拟机规范中只规定了一个对象的引用，并没有定义这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中的对象的具体位置，所以对象访问方式也取决于虚拟机实现而定。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针2种。

• 如果使用句柄访问的话，那么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，而句柄中存储的就是对象句柄地址，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。
• 如果使用直接指针访问，那么Java堆对象的布局中就必须考虑如何防止访问类型数据的相关信息，而reference中存储的直接就是对象地址。

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中储存的是稳定的句柄地址，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的最大好处就是处理速度快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。HotSpot使用的是第二种方式进行对象访问的。