概述

Java与C/C程序不同，Java开发人员不需要考虑每一个被new的对象的delete/free问题，这些问题交给Java虚拟机来管理，因此，一旦出现了内存的溢出和泄露，如果不了解虚拟机的工作机制就需要无法排查错误。

1.运行时的数据区域

数据区可以分为四大块：方法区、堆、栈（包括虚拟机栈和本地方法栈）、程序计数器。下面一一介绍：

图片来源：博客园   作者: fengbs 《JAVA运行时数据区域》  

https://www.cnblogs.com/fengbs/p/7029013.html

程序计数器：
        1. 线程私有
        2. 它是一块较小的内存空间，可以看做行号指示器，也就是说它作用是取下一条执行的字节码指令（如分支循环跳转异常处理线程恢复等等）。每一条线程对应一个独立的程序计数器，因此各个线程计数器之间互不影响独立存储，因此它是“线程私有的”。
        3. 执行Java方法：计数器记录正在执行的虚拟机字节码指令的地址
            执行Native方法：计数器值为Undefined
        4. 因此，它是唯一一个没有规定任何OutOfMemoryError的区域

Java虚拟机栈：
        1. 线程私有

       2. 他描述的是Java方法执行的内存模型，每一个方法执行的时候会创建一个栈帧（Stack frame），它存储局部变量表，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，就有一个栈帧在虚拟机中入栈和出栈。
       3. 局部变量表：存储编译期间可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、long、double）和对象引用（reference类型，对象的引用指针）类型。个人认为也就是存储JAVA类代码“上面”的数据声明，暂时不知道对不对，日后再说。其中double和long占用两个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用一个。这个表需要多大内存呢？这在编译期间决定。因此一个方法进入时，分配多大的局部变量空间是确定的。
       4. 这个区域有两种异常：如果线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度，抛出StackOverflowError；如果虚拟机支持动态扩展，但是扩展也无法满足请求的内存的时候，会抛出OutOfMemoryError异常

本地方法栈：

        与虚拟机栈作用相似，区别在于它为虚拟机使用到的native方法服务，而不是Java方法。
        他会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError。

Java堆

        这是JVM所管理的内存中最大的一块，被所有线程共享，虚拟机启动时创建。
        作用：存放对象实力，所有的对象实例在这里分配内存。
        Java堆可以位于物理上不连续的内存，但是需要逻辑上连续。Java堆可以细分为：新生代和老年代，再细致一点可以分为Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。但是他还可以划分出某些多个线程私有的分配缓冲区。这是垃圾收集器管理的主要区域，因此JAVA堆又被叫做GC堆（Garbage Collected Heap），具体在下一章详细介绍

方法区

        它也是所有线程共享的内存区域，虽然JVM规范把它描述为堆的逻辑部分，但是它的名字叫做Non-heap，与Java堆区分。
        作用：存放被JVM加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码。
        和Java堆一样，可以可以位于物理上不连续的内存，但是需要逻辑上连续。这部分的垃圾回收针对常量池回收和类型的卸载，条件相当苛刻，但这是必要的。当它的内存分配需求没有得到满足的时候会抛出OutOfMemoryError异常。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）
        这是方法区的一部分，因此也会抛出OutOfMemoryError.
        Class文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息便是常量池（Constant Pool table），它用来存放编译器生成的各种字面量和符号的引用，它们在类被加载后进入方法区的运行时常量池中存放
        JVM规范对Class文件的每一部分的格式都有严格的规定，但是唯独对运行时常量池没有做任何细节的要求，不同的虚拟机可以按照自己的实际需求来实现这个内存区域。
        它具备动态性，常量不仅可以在编译期间通过方法区进入运行时常量池，运行期间也可以把新的常量放进池中，很常见的一个便是String类的intern（）方法。

直接内存（Direct Memory）
        注意！！这不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，他也会抛出OutOfMemoryError。
        它的内存分配不会受到Java堆的大小限制，但是他会受到本机总内存包括Ram和Swap区或者分页大小的限制。服务器管理员在分配虚拟机参数的时候容易忽略直接内存，是的各个内存区域总和大于无力内存限制，从而导致动态扩展的时候出现OutOfMemoryError。

HotSpot虚拟机与对象

        现在我们大致知道了JVM中内存大概有哪些东西以及分别是干什么的。下面以常用虚拟机HotSpot和常用内存区域Java堆为例，看看如何在Java堆中分配、布局、访问一个对象

对象的创建
        虚拟机遇到一个new关键字的时候，首先检查这个指令的参数，也就是类名能否在常量池中定位到这个类的符号引用，然后检查这个类是否被加载解析和初始化过，如果有就先执行相应类的加载过程。后面将会详细探讨
        紧接着，虚拟机为新生对象分配内存（一个对象需要多大内存，在这个类被加载完成后就确定了），分配内存的过程相当于把一块固定大小的内存从Java heap中划分出来。这个过程，如果Java堆内存是规整的（一边是用过的内存，一边是空闲的），那么很简单，只需要把那个分界点指针向空闲区挪动这个类那么大的大小的距离，这个过程叫做指针碰撞（Bump the pointer）。但是如果堆内存不规整，那就复杂了，那样的话，虚拟机就要多干一件事——记录一个表，记录哪些内存是可以用的，分配的时候查查这个表，看看哪里的内存可以拿，这个分配方式叫做“空闲列表（Free List）”。
        用哪种方式取决于堆内存是否规整，堆内存是否规整取决于采用的垃圾收集器是否带有压缩整理的功能。如果收集器是Serial、ParNew等带有Compact过程的收集器，采用的是指针碰撞法，而使用CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器，常采用空闲列表。
        以上介绍了划分内存的过程，还有一个需要考虑的问题是，指针碰撞是线程安全的吗？在并发状态下，指针正在给A分配空间，如果B也要求分配内存呢？这个问题有两种解决方法。1. 对分配空间的动作进行同步处理（虚拟机采用CAS和失败重试的方法保证操作的原子性）。2. 把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间中，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，叫做本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer）。哪个线程要分配，就在谁的TLAB上分配。
        接下来，虚拟机吧分配到的内存初始化为0（不包括对象头），如果使用了TALB分配，这个过程在TLAB分配的时候进行。然后虚拟机对对象进行设置，如它是谁的实例？对象的哈希码？对象的垃圾分代等，这些信息都在对象头中。
        好了，虚拟机里面已经有了你new的对象了，但是这个对象所有字段都是0，所以Java程序还需要执行init方法，把这个对象按照编程者的想法进行初始化，这样一个对象就诞生了！！

对象的布局
        对象在内存中有三块：对象头（Header），实例数据（Instance Data），对齐填充（Padding）。下面一一介绍。
        对象头：第一部分放自身运行时数据，哈希码、垃圾回收分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等等，另外一部分是存放一个类型指针，指向它的类元数据，这样他就知道了这个对象是哪个类产生的实例。如果这个东西是个数组，他还要有一块区域存储数组长度的记录，因为普通对象可以通过第二部分的类型指针知道这个对象的大小，但是数组不可以。
        实例数据部分：包括从父类继承过来的数据以及子类自己定义的数据。他们的存出顺序受到虚拟机分配策略参数（FieldsAllocationStyle）和字段在Java源码中被定义的顺序的影响。以HotSpot虚拟机为例，它的默认分配策略为longs/doubles，ints，shorts/chars，bytes、booleans，oops（Ordinary Object Pointers），其实就是把相同宽度的字段放在一起，并且父类变量在前，子类在后。
        对齐填充部分：这不一定存在。它没什么用，仅仅拿来作为占位符，所以才叫它对齐填充部分。因为HotSpot虚拟机要求对象的长度必须是8字节的整数倍，而对象头刚好是八字节的倍数，因此如果第二部分的示例数据部分不是8字节整数倍，就拿第三部分的Padding来填充对齐。

对象的访问定位
        我们应该还记得，之前的介绍的栈，具体地说是Java虚拟机栈中的本地变量表中有一个reference，它是用来存储对象的引用的，在JAVA虚拟机规范中只规定看了这是一个指向对象的引用，但是没有定义这个引用如何找到并且访问这个对象的具体位置，所以这两步不同的虚拟机有不同的实现方式。主流的话，有两种方式来实现：
        句柄访问：Java堆会留出一块内存来作为句柄池，顾名思义，这里存放所有实例对象的句柄指针，两个，一个到对象实例数据（实例池）的指针，还有一个到对象类型数据（方法区）的指针。

        直接指针访问：这个就简单了，它直接指向位于方法区的对象类型数据

        使用句柄访问的优势：reference存储的是稳定的句柄地址，对象被移动的时候，只会改变其中的实例数据指针，reference本身不变。
        使用直接指针访问的优势：速度快，少了一次指针定位的时间开销。积少成多，速度就是快！
        就HotSpot而言，它是用直接指针访问的。