Jvm内存区域

前言

常见面试题

基本问题

介绍下 Java 内存区域（运行时数据区）
Java 对象的创建过程（五步，建议能默写出来并且要知道每一步虚拟机做了什么）
对象的访问定位的两种方式（句柄和直接指针两种方式）

拓展问题

String 类和常量池
8 种基本类型的包装类和常量池

概述

对于 Java 程序员来说，在虚拟机自动内存管理机制下，不需要像 C/C++ 程序开发程序员这样为每一个 new
操作去写对应的 delete/free 操作，不容易出现内存泄漏和内存溢出问题。正是因为 Java 程序员把内存
控制权利交给了 Java 虚拟机，一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题，如果不了解虚拟机是怎样使用内存的，
那么排查错误将会是一个非常艰巨的任务。

运行时的数据区域

Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它管理的内存划分成若干个不同的数据区域。

这些组成部分一些事线程私有的，其他的则是线程共享的。

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

程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。字节码解释器工作时
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、线程恢复等功
能都需要依赖这个计数器来完成。

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，各线程之间计数器互不
影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

从上面的介绍中我们知道程序计数器主要有两个作用：

字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制，如：顺序执行、选择、循环、异常处理。
在多线程的情况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置，从而当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运行到哪儿了。

注意：程序计数器是唯一一个不会出现 OutOfMemoryError 的内存区域，它的生命周期随着线程的创建
而创建，随着线程的结束而死亡。

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，它的生命周期和线程相同，描述的是 Java 方法执行的内存模型。

Java 内存可以粗糙的区分为堆内存（Heap）和栈内存(Stack)，其中栈就是现在说的虚拟机栈，或者说是
虚拟机栈中局部变量表部分。实际上，Java 虚拟机栈是由一个个栈帧组成，而每个栈帧中都拥有：局部变量表、
操作数栈、动态链接、方法出口信息。

局部变量表主要存放了编译器可知的各种数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、
对象引用（reference 类型，它不同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向
一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）。

Java 虚拟机栈会出现两种异常：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。

StackOverFlowError：如果 Java 虚拟机栈的内存大小不允许动态扩展，那么当线程请求栈的深度超过
当前 Java 虚拟机栈的最大深度的时候，就会抛出 StackOverFlowError 异常，比如在递归调用时。
OutOfMemoryError：如果 Java 虚拟机栈的内存大小允许动态扩展，且当线程请求栈时内存用完了，
无法再动态扩展了，此时抛出OutOfMemoryError异常。

Java 虚拟机栈也是线程私有的，每个线程都有各自的Java虚拟机栈，而且随着线程的创建而创建，随着线程的死亡而死亡。

本地方法栈

和虚拟机栈所发挥的作用非常相似，区别是：虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（也就是字节码）服务，
而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。在 HotSpot 虚拟机中和 Java 虚拟机栈合二为一。

本地方法被执行的时候，在本地方法栈也会创建一个栈帧，用于存放该本地方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、出口信息。

方法执行完毕后相应的栈帧也会出栈并释放内存空间，也会出现 StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 两种异常。

堆

Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块，Java 堆是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以及数组都在这里分配内存。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称作GC堆（Garbage Collected Heap）。从垃圾回收的
角度，由于现在的收集器基本都采用分代垃圾收集算法，所以 Java 堆还可以细分为：新生代和老年代。
再细致一点有：Eden 空间、From Survivor、To Survivor 空间等。

进一步划分的目的是更好地回收内存，或者更快地分配内存。

在 JDK 1.8 中移除整个永久代，取而代之的是一个叫元空间（Metaspace）的区域（永久代使用的是
JVM 的堆内存空间，而元空间使用的是物理内存，直接受到本机的物理内存限制）。

方法区

方法区与 Java 堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于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，但是它却有一个
别名叫做 Non-Heap（非堆），目的应该是与 Java 堆区分开来的。

HotSpot 虚拟机中方法区也常被称为“永久代”，本质上两者并不等价。仅仅是因为 HotSpot 虚拟机设计团队
用永久代来实现方法区而已，这样 HotSpot 虚拟机的垃圾收集器就可以像管理 Java 堆一样管理这部分内存了。
但是这并不是一个好主意，因为这样更容易遇到内存溢出问题。

相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入方法区后就“永久存在”了。

运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分。Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，
还有常量池信息（用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用）。

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
OutOfMemoryError 异常。

JDK 1.7 及之后版本的 JVM 已经将运行时常量池从方法区中移了出来，在 Java 堆（Heap）中开辟了一块
区域存放运行时常量池。

直接内存

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁
地使用。而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。

JDK 1.4 中新加入的 NIO(New Input/Output) 类，引入了一种基于通道（Channel）与缓存区（Buffer）
的 I/O 方式，它可以直接使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在 Java 堆中的
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性能，因为避免了
在 Java 堆和 Native 堆之间来回复制数据（Netty 中有大量使用）。

本机直接内存的分配不会收到 Java 堆的限制，但是，既然是内存就会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。

HotSpot 虚拟机对象探秘

TODO：未完待续