jvm内存分布
1. jvm体系结构
- Class Loader类加载器
负责加载 .class文件，class文件在文件开头有特定的文件标示，并且ClassLoader负责class文件的加载等，至于它是否可以运行，则由Execution Engine决定。
① 定位和导入二进制class文件
② 验证导入类的正确性
③ 为类分配初始化内存
④ 帮助解析符号引用. - Native Interface本地接口
本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java所用，它的初衷是融合C/C++程序，Java诞生的时候C/C++横行的时候，要想立足，必须有调用C/C++程序，于是就在内存中专门开辟了一块区域处理标记为native的代码，它的具体作法是Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine执行时加载native libraies。目前该方法使用的越来越少了，除非是与硬件有关的应用，比如通过Java程序驱动打印机，或者Java系统管理生产设备，在企业级应用中已经比较少见。因为现在的异构领域间的通信很发达，比如可以使用Socket通信，也可以使用Web Service等。 - Execution Engine 执行引擎
执行包在装载类的方法中的指令，也就是方法。 - Runtime data area 运行数据区（即：虚拟机内存或者JVM内存）
从整个计算机内存中开辟一块内存存储Jvm需要用到的对象，变量等，分为：方法区，堆，虚拟机栈，程序计数器，本地方法栈。
2.JVM内存结构
- 程序计数器 PC Register
每个线程都有一个程序计算器，就是一个指针，指向方法区中的方法字节码（下一个将要执行的指令代码），由执行引擎读取下一条指令，是一个非常小的内存空间，几乎可以忽略不记。
程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的作用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里（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），字节码解释器工作时就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Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流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）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，各条线程之间的计数器互不影响，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，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Natvie 方法，这个计数器值则为空（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OutOfMemoryError 情况的区域。 - 本地方法栈 Native Method Stack
Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine执行时加载native libraies
本地方法栈与虚拟机栈基本类似，区别在于虚拟机栈为虚拟机执行的java方法服务，而本地方法栈则是为Native方法服务 - 方法区 Method Area
用于存储虚拟机加载的：静态变量+常量+类信息+运行时常量池 （类信息：类的版本、字段、方法、接口、构造函数等描述信息 ）
默认最小值为16MB，最大值为64MB，可以通过-XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 参数限制方法区的大小
对于习惯在HotSpot 虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot 虚拟机的设计团队选择把GC 分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。对于其他虚拟机（如BEA JRockit、IBM J9 等）来说是不存在永久代的概念的。即使是HotSpot 虚拟机本身，根据官方发布的路线图信息，现在也有放弃永久代并“搬家”至Native Memory 来实现方法区的规划了。Java 虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松，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出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。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“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是有必要的。在Sun 公司的BUG 列表中，曾出现过的若干个严重的BUG 就是由于低版本的HotSpot 虚拟机对此区域未完全回收而导致内存泄漏。根据Java 虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError 异常。 - 栈 JVM Stack
编译器可知的各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(引用指针，并非对象本身)
栈是java 方法执行的内存模型：
每个方法被执行的时候 都会创建一个“栈帧”用于存储局部变量表(包括参数)、操作栈、方法出口等信息。
每个方法被调用到执行完的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
（局部变量表：存放了编译器可知的各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(引用指针，并非对象本身)，
其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量的空间，其余数据类型只占1个。
局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量是完全确定的，在运行期间栈帧不会改变局部变量表的大小空间）
栈的生命期是跟随线程的生命期，线程创建时创建，线程结束栈内存也就释放，是线程私有的。 - 堆 Java Heap
所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，此内存区域的唯一目的就是存放对象实例
堆是Java 虚拟机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
堆是理解Java GC机制最重要的区域，没有之一
结构：新生代（Eden区+2个Survivor区） 老年代 永久代（HotSpot有）
新生代：新创建的对象——>Eden区
GC之后，存活的对象由Eden区 Survivor区0进入Survivor区1
再次GC，存活的对象由Eden区 Survivor区1进入Survivor区0
老年代：对象如果在新生代存活了足够长的时间而没有被清理掉（即在几次Young GC后存活了下来），则会被复制到老年代
如果新创建对象比较大（比如长字符串或大数组），新生代空间不足，则大对象会直接分配到老年代上（大对象可能触发提前GC，应少用，更应避免使用短命的大对象）
老年代的空间一般比新生代大，能存放更多的对象，在老年代上发生的GC次数也比年轻代少
永久代：可以简单理解为方法区（本质上两者并不等价）
如上文所说：对于习惯在HotSpot 虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”，本质上两者并不等价
仅仅是因为HotSpot 虚拟机的设计团队选择把GC 分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已
对于其他虚拟机（如BEA JRockit、IBM J9 等）来说是不存在永久代的概念的
即使是HotSpot 虚拟机本身，根据官方发布的路线图信息，现在也有放弃永久代并“搬家”至Native Memory 来实现方法区的规划了
Jdk1.6及之前：常量池分配在永久代
Jdk1.7：有，但已经逐步“去永久代”
Jdk1.8及之后：没有永久代(java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space,这种错误将不会出现在JDK1.8中) 替换为元数据区(Metaspace),随着元数据区的引入，方法区内存已经不再那么窘迫，所以相应的 OOM 有所改观，出现OOM，异常信息则变成了：“java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace” - 直接内存 Direct Memor
直接内存并不是JVM管理的内存，可以这样理解，直接内存，就是JVM以外的机器内存，比如，你有4G的内存，JVM占用了1G，则其余的3G就是直接内存
JDK中有一种基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）的内存分配方式，将由C语言实现的native函数库分配在直接内存中，用存储在JVM堆中的DirectByteBuffer来引用
由于直接内存收到本机器内存的限制，所以也可能出现OutOfMemoryError的异常。
方法区详解
图例（方法区中都保存什么）
类型信息
- 类的完整名称（比如，java.long.String）
- 类的直接父类的完整名称
- 类的直接实现接口的有序列表（因为一个类直接实现的接口可能不止一个，因此放到一个有序表中）
- 类的修饰符
- 可以看做是，对一个类进行登记，这个类的名字叫啥，他粑粑是谁、有没有实现接口， 权限是啥；
类型的常量池 （即运行时常量池）
- 每一个Class文件中，都维护着一个常量池（这个保存在类文件里面，不要与方法区的运行时常量池搞混），里面存放着编译时期生成的各种字面值和符号引用；这个常量池的内容，在类加载的时候，被复制到方法区的运行时常量池 ；
- 字面值：就是像string, 基本数据类型，以及它们的包装类的值，以及final修饰的变量，简单说就是在编译期间，就可以确定下来的值；
- 符号引用：不同于我们常说的引用，它们是对类型，域和方法的引用，类似于面向过程语言使用的前期绑定，对方法调用产生的引用；
存在这里面的数据，类似于保存在数组中，外部根据索引来获得它们 ；
字段信息
- 声明的顺序
- 修饰符
- 类型
- 名字
方法信息
- 声明的顺序
- 修饰符
- 返回值类型
- 名字
- 参数列表（有序保存）
- 异常表（方法抛出的异常）
- 方法字节码（native、abstract方法除外，）
- 操作数栈和局部变量表大小
类变量(即static变量）
- 非final类变量
在java虚拟机使用一个类之前，它必须在方法区中为每个非final类变量分配空间。非final类变量存储在定义它的类中；
final类变量（不存储在这里）由于final的不可改变性，因此，final类变量的值在编译期间，就被确定了，因此被保存在类的常量池里面，然后在加载类的时候，复制进方法区的运行时常量池里面 ；
final类变量存储在运行时常量池里面，每一个使用它的类保存着一个对其的引用；
对类加载器的引用
jvm必须知道一个类型是由启动加载器加载的还是由用户类加载器加载的。如果一个类型是由用户类加载器加载的，那么jvm会将这个类加载器的一个引用作为类型信息的一部分保存在方法区中。
对Class类的引用
jvm为每个加载的类都创建一个java.lang.Class的实例（存储在堆上）。而jvm必须以某种方式把Class的这个实例和存储在方法区中的类型数据（类的元数据）联系起来， 因此，类的元数据里面保存了一个Class对象的引用；
方法表
为了提高访问效率，必须仔细的设计存储在方法区中的数据信息结构。除了以上讨论的结构，jvm的实现者还可以添加一些其他的数据结构，如方法表。jvm对每个加载的非虚拟类的类型信息中都添加了一个方法表，方法表是一组对类实例方法的直接引用(包括从父类继承的方法。jvm可以通过方法表快速激活实例方法。(译者：这里的方法表与C++中的虚拟函数表一样，但java方法全都 是virtual的，自然也不用虚拟二字了。正像java宣称没有 指针了，其实java里全是指针。更安全只是加了更完备的检查机制，但这都是以牺牲效率为代价的,个人认为java的设计者 始终是把安全放在效率之上的，所有java才更适合于网络开发)
java类对象详解
对象的内存布局
HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。
从上面的这张图里面可以看出，对象在内存中的结构主要包含以下几个部分：
- Mark Word(标记字段)：对象的Mark Word部分占4个字节，其内容是一系列的标记位，比如轻量级锁的标记位，偏向锁标记位等等。
- Klass Pointer（Class对象指针）：Class对象指针的大小也是4个字节，其指向的位置是对象对应的Class对象（其对应的元数据对象）的内存地址
- 对象实际数据：这里面包括了对象的所有成员变量，其大小由各个成员变量的大小决定，比如：byte和boolean是1个字节，short和char是2个字节，int和float是4个字节，long和double是8个字节，reference是4个字节
- 对齐：最后一部分是对齐填充的字节，按8个字节填充。
1.1、对象头
1.1.1、Mark Word（标记字段）
HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息，第一部分是“Mark Word”，用于存储对象自身的运行时数据， 如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（暂 不考虑开启压缩指针的场景）中分别为32个和64个Bits，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、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的空间内存储尽量多的信息，它会根据对象的状态复用自己的存储空间。例如在32位的HotSpot虚拟机 中对象未被锁定的状态下，Mark Word的32个Bits空间中的25Bits用于存储对象哈希码（HashCode），4Bits用于存储对象分代年龄，2Bits用于存储锁标志 位，1Bit固定为0，在其他状态（轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向）下对象的存储内容如下表所示。
但是如果对象是数组类型，则需要三个机器码，因为JVM虚拟机可以通过Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是无法从数组的元数据来确认数组的大小，所以用一块来记录数组长度。
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，但是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的空间内存存储尽量多的数据，它会根据对象的状态复用自己的存储空间，也就是说，Mark Word会随着程序的运行发生变化，变化状态如下（32位虚拟机）：
表1 HotSpot虚拟机对象头Mark Word
存储内容 | 标志位 | 状态 |
对象哈希码、对象分代年龄 | 01 | 未锁定 |
指向锁记录的指针 | 01 | 轻量级锁定 |
指向重量级锁的指针 | 10 | 膨胀（重量级锁定 |
空，不需要记录信息 | 11 | GC标记 |
偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄 | 01 | 可偏向 |
其中轻量级锁和偏向锁是Java 6 对 synchronized 锁进行优化后新增加的，稍后我们会简要分析。这里我们主要分析一下重量级锁也就是通常说synchronized的对象锁，锁标识位为10，其中指针指向的是monitor对象（也称为管程或监视器锁）的起始地址。每个对象都存在着一个 monitor 与之关联，对象与其 monitor 之间的关系有存在多种实现方式，如monitor可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成，但当一个 monitor 被某个线程持有后，它便处于锁定状态。在Java虚拟机(HotSpot)中，monitor是由ObjectMonitor实现的，其主要数据结构如下（位于HotSpot虚拟机源码ObjectMonitor.hpp文件，C++实现的）
ObjectMonitor() {
_header = NULL;
_count = 0; //记录个数
_waiters = 0,
_recursions = 0;
_object = NULL;
_owner = NULL;
_WaitSet = NULL; //处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
_WaitSetLock = 0 ;
_Responsible = NULL ;
_succ = NULL ;
_cxq = NULL ;
FreeNext = NULL ;
_EntryList = NULL ; //处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
_SpinFreq = 0 ;
_SpinClock = 0 ;
OwnerIsThread = 0 ;
}ObjectMonitor中有两个队列，_WaitSet 和 _EntryList，用来保存ObjectWaiter对象列表( 每个等待锁的线程都会被封装成ObjectWaiter对象)，_owner指向持有ObjectMonitor对象的线程，当多个线程同时访问一段同步代码时，首先会进入 _EntryList 集合，当线程获取到对象的monitor 后进入 _Owner 区域并把monitor中的owner变量设置为当前线程同时monitor中的计数器count加1，若线程调用 wait() 方法，将释放当前持有的monitor，owner变量恢复为null，count自减1，同时该线程进入 WaitSe t集合中等待被唤醒。若当前线程执行完毕也将释放monitor(锁)并复位变量的值，以便其他线程进入获取monitor(锁)。
由此看来，monitor对象存在于每个Java对象的对象头中(存储的指针的指向)，synchronized锁便是通过这种方式获取锁的，也是为什么Java中任意对象可以作为锁的原因，同时也是notify/notifyAll/wait等方法存在于顶级对象Object中的原因(关于这点稍后还会进行分析) 有了上述知识基础后，下面我们将进一步分析synchronized在字节码层面的具体语义实现。
对象头的另外一部分是类型指针，即是对象指向它的类的元数据的指针，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，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通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无法确定数组的大小。
1.2、实例数据（Instance Data）
接下来实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也既是我们在程序代码里面所定义的各种类型的字段内容，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下来。 这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数（FieldsAllocationStyle）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（默认为true），那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。
1.3、对齐填充（Padding）
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，换句话说就是对象的大小必须是8字节的整数倍。对象头正好是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的话，就需要通过对齐填充来补全。
对象的创建过程
Java是一门面向对象的编程语言，Java程序运行过程中无时无刻都有对象被创建出来。在语言层面上，创建对象通常（例外：克隆、反序列化）仅仅是一个 new关键字而已，而在虚拟机中，对象（本文中讨论的对象限于普通Java对象，不包括数组和Class对象等）的创建又是怎样一个过程呢？
虚拟机遇到一条new指令时，
1、检查内存中是否已存在
首先jvm要检查类A是否已经被加载到了内存，即类的符号引用是否已经在常量池中，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过的。如果还没有，需要先触发类的加载、解析、初始化。然后在堆上创建对象。
2、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具体便等同于一块确定大小 的内存从Java堆中划分出来，怎么划呢？假设Java堆中内存是绝对规整的，所有用过的内存都被放在一边，空闲的内存被放在另一边，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向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为“指针碰撞”（Bump The Pointer）。如果Java堆中的内存并不是规整的，已被使用的内存和空闲的内存相互交错，那就没有办法简单的进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，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，并更新列表上的记录，这种分配方式称为“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堆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（说明一下，CMS收集器可以通过UseCMSCompactAtFullCollection或 CMSFullGCsBeforeCompaction来整理内存），就通常采用空闲列表。
除如何划分可用空间之外，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，在并发情况下也并不是 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。解决这个问题有两个方案，一种是对分配内存空 间的动作进行同步——实际上虚拟机是采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；另外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区，（TLAB ，Thread Local Allocation Buffer），哪个线程要分配内存，就在哪个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完，分配新的TLAB时才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX:+/-UseTLAB参数来设定。
3. 完成实例数据部分的初始化工作（初始化为0值）
内存分配完成之后，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的话，这一个工作也可以提前至TLAB分配时进行。这 步操作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。
4、 完成对象头的填充：如对象自身的运行时数据、类型指针等。
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信息、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。
在上面工作都完成之后，在虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了。但是在Java程序的视角看来，初始化才正式开始，开始调用方法完成初始复制和构造函数，所有的字段都为零值。因此一般来说（由字节码中是否跟随有invokespecial指令所决定），new指令之后会接着就是执 行方法，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创建出来。
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Java虚拟机规范里面只规定了是一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过什么种方式去定位、访问到堆中的对象的具体位置，对象访问方式也是取决于虚拟机实现而定的。主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。
如果使用句柄访问的话，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，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据的具体各自的地址信息。如图1所示。
图1 通过句柄访问对象如果使用直接指针访问的话，Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference中存储的直接就是对象地址，如图2所示。
图2 通过直接指针访问对象
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中存储的是稳定句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要被修改。
使用直接指针来访问最大的好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象访问的在Java中非常频繁，因此这类开销积小成多也是一项非常可观的执行成本。从上一部分讲解的对象内存布局可以看出，就虚拟机HotSpot而言，它是使用第二种方式进行对象访问，但在整个软件开发的范围来看，各种语言、框架中使用句柄来访问的情况也十分常见。
