Java虚拟机内存模型

内存结构篇

1、内存结构简介

程序计数器：
- 当前线程所执行的字节码行号指示器；
- 分支、循环、跳转等控制；
- 当执行的是java方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)方法时该指针为空；
- 没有（out of memory error）OOM。
栈：
- 生命周期与线程相同；
- 每个方法执行时都会创建一个栈帧（stack frame）；
- 用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息；
- 每个方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；
本地方法栈：
- Native method stack，跟栈一样，栈服务于java方法，本地方法栈服务于native 方法（JNI），部分虚拟机是合并的。
堆：
- 所以线程共享；
- 存放对象实例；
- 垃圾回收的主要区域；
- 物理内存上可以不连续；
- 会有OOM问题；
方法区：
- 线程共享；
- 用于存储已经被虚拟机加载的类信息，常量、静态变量等；
- 类的加载、卸载、常量池回收均发生在此；
- 内存不足会有OOM ;
- 运行时常量池：方法区一部分，存放编译时期生成的各种字面量和符号引用，具有动态特性，内存不足也会OOM；**运行时常量池时放在方法区（1.8改名放在元空间）
直接内存：
- 与JVM定义内存区域无关，不归JVM管理；
- 内存不足也会OOM；
- native库直接分配的堆外内存；不会回收。例如Netty缓冲区，不需要回收，可以反复用。

2、栈和栈帧

栈帧：一个方法对应一个栈帧区域，先进后出FILO，压栈再出栈。

操作数栈:是各种运算发生的场所,各种数据在进行运算时都会弹入操作数栈，然后结果会弹出操作数栈。

方法出口:存储的是当前方法执行完毕之后应该返回到上一级方法的位置。

3、堆内存逻辑分区

4、元空间

方法区又称永久代在1.8称为元空间。

元空间替换永久代原因

1、Java7及以前版本的Hotspot中方法区位于永久代中。同时，永久代和堆是相互隔离的，但它们使用的物理内存是连续的。永久代的垃圾收集是和老年代捆绑在一起的，因此无论谁满了，都会触发永久代和老年代的垃圾收集。

2、元空间存在于本地内存，意味着只要本地内存足够，它不会出现像永久代中“java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space”这种错误。看上图中的方法区，是不是“膨胀”了。默认情况下元空间是可以无限使用本地内存的，但为了不让它如此膨胀，JVM同样提供了参数来限制它使用的使用。

表面上看是为了避免OOM异常。因为通常使用PermSize和MaxPermSize设置永久代的大小就决定了永久代的上限，但是不是总能知道应该设置为多大合适, 如果使用默认值很容易遇到OOM错误。当使用元空间时，可以加载多少类的元数据就不再由MaxPermSize控制, 而由系统的实际可用空间来控制。
更深层的原因还是要合并HotSpot和JRockit的代码，JRockit从来没有所谓的永久代，也不需要开发运维人员设置永久代的大小，但是运行良好。同时也不用担心运行性能问题了,在覆盖到的测试中, 程序启动和运行速度降低不超过1%，但是这点性能损失换来了更大的安全保障。

总结：

永久代：GC不会再程序运行期间对永久代进行垃圾回收，这会导致OOM。
元数据空间：不存在虚拟机中，而是使用本地内存，大小由系统实际可用内存控制。

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：如果释放了大量的空间，就适当的降低该值；如果释放了很少的空间，那么在不超过MaxMetaspaceSize（如果设置了的话），适当的提高该值。

-XX：MaxMetaspaceSize，可以为metadata分配的最大空间，默认是没有限制的。

-XX：MinMetaspaceFreeRatio,在GC之后，最小的Metaspace剩余空间容量的百分比。

-XX:MaxMetaspaceFreeRatio,在GC之后，最大的Metaspace剩余空间容量的百分比。

5、常量池

常量池

Class可以理解为Class文件的资源仓库.class文件中除了包含类的版本、字段、方法、接口等描述信息，还有一项就是常量池，常量池中用于存放编译期间生成的各种字面变量和符号引用。

八中基本类型中byte、short、integer、long、char等在值小于等于127使用对象池，即不负责创建和管理大于127的对象。

字符串常量池

字符串的分配和其他的对象分配一样，耗费高昂的时间和空间代价，作为基础数据，大量创建字符串影响程序性能。
JVM为了提高性能和减少开销，在实例化字符串常量时进行了优化。

为字符串开辟一个字符串常量池，类似缓存区。
创建字符串常量是，先检查字符串常量池是否存在该字符串。
存在则返回该字符串的引用，不存在时则实例化该字符串并放入池中（String s=new String("abc");这种方式会新建出字符串，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");创建了多少个对象？

答：创建过程如下：

在常量池查找"abc"对象，有则返回对应的引用实例，没有则在常量池创建对应实例对象。
在堆中new一个String("abc")对象。
将对象地址赋值给str，创建一个引用。

因此，常量池没有"abc"字面量则创建两个对象，否则创建一个对象以及创建一个对象的引用。

例题2：String str=new String("a"+"b");创建了多少个对象？

答：字符串常量池：a、b、ab。

堆：new String("ab")。

引用：str。

合计5个。

6、TLAB

TLAB（Thread Local Allocation Buffer）线程本地分配缓冲区。

JVM分配对象是优先分配到线程栈上，栈上分配不了的（如对象较大）则直接分配在Old区；如果对象不大，优先分配在栈上的TLAB上。

TLAB是在Eden区的专门的内存空间，为了防止在Eden区分配空间的多线程竞争资源，JVM为每个线程在Eden区上分配的专属内存空间即TLAB。

内存分配和对象布局篇

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分布的。

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

Ps：压缩指针和压缩普通对象指针：
使用java -XX:+PrintCommandLineFlags -version命令可以看到包含以下信息：
显示： -XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops，
其中-XX:+UseCompressedClassPointers是使用压缩类指针，原先是8字节，由于8字节=8x8=64位，2^64位寻址空间太大，因此没必要使用8字节，因此使用了压缩成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) 又由于JVM是8字节一寻址，也就是每8字节作为一个单位，因此实际寻址能力4G8=32G，ZGC号称最大能够使用4T的内存，ZGC使用8字节作为ClassPointer 其中有42位为类指针，4位为颜色指针，2^42=4T。
其中-XX:+UseCompressedOops是表示使用压缩对象指针进行寻址，两个指令应该是一对的。
关闭压缩指针-XX:-UseCompressedClassPointers -XX:-UseCompressedOops指令。

2、为新对象分配内存的方式

内存规整：直接移动指针到未被使用的区域（指针碰撞），需要带压缩的GC：Serial、ParNew等带compact的垃圾回收器。
内存不规整：空闲列表维护可用空间，例如：CMS等基于mark-sweep的垃圾回收器。

3、内存分配的线程安全

CAS保证，每个线程在jvm预先分配了内存，称为本地线程分配缓冲区TLAB，并同步锁定。

4、对象的访问定位

栈上的reference数据操作具体堆上的对象有句柄和直接指针两种方式。

句柄方式：jvm堆上划分内存来作为句柄池，引用时引用存储对象的句柄地址，句柄中包含对象实例数据和类型数据的各自具体地址信息。

优点：引用不用修改，比较稳定，对象移动如垃圾回收只要改变句柄值即可。

直接指针：引用直接引用对象地址，对象中包含类型数据指针，指向方法区class。

优点：速度快。

5、对象的创建过程

new 指令，开辟空间（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, 对象建立关联，栈空间与堆空间建立关联。
初次访问对象。
其中2、3两部会发生指令重排。

6、对象逃逸

JVM的3中运行模式:

解释模式：只使用解释器，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效果，但是执行的效果并不一定最快。适合执行一次的代码模块。

编译模式：只使用编译器,先将所有的JVM字节码一次编译为机器码,然后一次性执行所有机器码。这样启动的稍慢，但执行完很快，适合反复执行的代码模块；

混合模式：依然采用解释模式,但是对于一点热点代码采用编译模式,并把对应的字节码缓存起来。JVM一般采用混合模式。

对象逃逸分析：

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对象会被其他引用，作用范围不明显；t2对象不会被其他线程引用，直接分配到当前线程。

对象逃逸分析的JVM参数: -XX:+DoEscapeAnalysis(开启)-XX:DoEscapeAnalysis(关闭)。

JDK1.7之后默认开启，但如果栈空间不足会分配到堆空间。逃逸分析发生在编译期间。

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