Java内存区域

JAVA 虚拟机运行时数据区如图所示：

运行时数据区域

程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，它可以看作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，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。
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，各条线程之间的程序计数器互不影响，独立存储，我们称这一类内存区域为“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 Native 方法，这个计数器的值为空（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。

Java 虚拟机栈

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。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
局部变量表存放了编译器可知的各种基本数据类型、对象引用（ reference 类型，它不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是一个指向对象的句柄或其它与此对象相关的位置）和returnAddress 类型（指向一条字节码指令的地址）。
如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出 StackOverflowError 异常；如果虚拟机栈可以动态扩展，如果扩展时申请不到足够的内存，就会抛出 OutOfMemoryError 异常。

本地方法栈

本地方法栈和虚拟机栈的作用是非常相似的，它们之间的区别只不过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。
在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式和数据结构没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现。有的虚拟机（例如HotSpot）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。
与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError异常。

Java堆

对于大多数应用来说，Java 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。Java 虚拟机规范中描述：所有的对象实例和数组都要在堆上分配，但随着 JIT 编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么绝对。
Java 堆上各个区域的分配和回收下面进行讲解。
在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以实现成可扩展的，当前主流的虚拟机都是按照可扩展的来实现的（通过－Xmx 和－Xms控制），如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出 OutOfMemoryError 异常。

方法区

方法区和 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。
当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出 OutOfMemoryError 异常。

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，还有一项信息是常量池，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。
运行时常量池相对于 Class 文件常量池的一个重要特征是具备动态性，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Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是 String 类的 intern() 方法。
当常量池无法再申请到内存时会抛出 OutOfMemoryError 异常。

HotSpot 虚拟机对象揭秘

对象的创建

虚拟机遇到一条 new 指令时，首先将去检查这个质量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、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。
在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需的内存大小在类加载后便可完全确定，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。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，通常采用空闲列表。
除如何划分可用空间外，还有另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。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 堆中先预先分配一小块内存，成为本地线程分配缓冲（TLAB），虚拟机是否使用 TLAB ，可以通过 -XX:+/-UseTLAB 参数来设定。
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 ，这一工作过程也可以提前至 TLAB 分配时进行。这一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可以直接使用，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之中。
经过上面的步骤，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生，但从 Java 程序的角度来看，对象创建才刚刚开始————\方法还没有执行，所有的字段还都为零。所以一般来说（由字节码中是否跟随 invokespecial 指令所决定），执行 new 指令之后会接着执行 init 指令，把对象按照我们的意愿进行初始化，这样一个真正有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，对象在内存中的存储的布局可以分为3块区域：对象头、实例数据和对齐填充。
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，如哈希码、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，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启指针压缩）中分别为32bit 和 64bit ，官方称之为“Mark Word”。
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。如果对象是一个 Java 数组，那么在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据。
实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中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，都需要记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略和字段在 Java 源码中定义的顺序影响。HotSpot 虚拟机默认的分配策略为 longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops，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。在满足这个条件的情况下，父类中定义的变量会出现在子类之前。如果 CompactFields 的参数值为 true（默认为true），那么字类中较窄的变量也可能会插入到父类的变量空隙之中。
最后对齐填充部分并不是必然存在的。仅仅起着占位符的作用。由于 HotSpot 虚拟机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，对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部正好是8字节的整数倍（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

目前主流的访问方式有句柄和直接指针两种：

如果使用句柄访问的话，那么 Java 堆中将会划分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的实例数据与类型数据各自的具体地址信息。如图所示:

如果使用直接指针访问，那么 Java 堆对象的布局就必须考虑如何放置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。如图所示

使用句柄来访问的最大好处就是 reference 中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时对象移动是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference 本身并不需要改变。
使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，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。就 HotSpot 而言，使用的是第二种方式进行对象访问的，但从整个软件开发的范围来看，各种语言和框架使用句柄来访问的情况也十分常见。