Java内存模型详解

清明幻境 2018-04-08

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借用一句话：Java与C++之间有一堵内存动态分配和垃圾收集技术围成的高墙，墙外面的人想进来，墙里面的人却想出去。

一.我们为什么要了解JAVA内存

　　因为虚拟机帮我们JAVA程序员管理着内存，我们在new Object()申请了内存创建对象之后，便不需要再去delete/free来释放内存。也因此不容易出现内存泄漏和内存溢出的问题，看起来一切都很美好。

　　但是，如果一个程序员不了解虚拟机是怎么管理内存的，那么在排查内存相关的错误是便会成为一个巨大的难题。

二.内存区域有哪些

　　内存区域分为两种，一种随着虚拟机的进程启动而存在。另一种则依赖用户进程的启动和结束而建立和销毁。

　　1.程序计数器

　　一块较小的线程私有的内存空间，可以看作是当前线程的所执行的字节码的行号指示器。

　　如果线程正在执行的是一个JAVA方法，那么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，那么计数器值为空（Undefined）。

　　该内存区域是唯一一个在JAVA虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError（OOM）情况的区域。

　　2.虚拟机栈

　　线程私有的，每个Java方法在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。每一个方法从调用到完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

　　3.本地方法栈

　　线程私有，同虚拟机栈，为native方法服务。在HotSpot虚拟机中，直接把虚拟机栈和本地方法栈合二为一。

　　4.堆

　　线程共享的区域。存放实例的区域，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。同时，因为空间固定，而用户可能需要不断生成实例，故该区域还是垃圾收集的主要区域。垃圾收集将在后面提到。

　　Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可。

　　5.方法区

　　线程共享的区域，存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。

　　很多人称之为“永生代”，因为HotSpot使用永生代来实现方法区。Java规范中对方法区的限制十分宽松，可以选择不实现垃圾收集。

　　6.运行时常量池

　　方法区的一部分，用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用，在类加载完成后进入方法区的运行时常量池中存放。

　　关于这快区域，有一个需要注意的地方。代码如下：

public class t18 {

    public static void main(String[] args){

        Integer a1 = 128 ;
        Integer a2 = 128 ;
        System.out.println(a1==a2);
        Integer b1 = 127;
        Integer b2 = 127;
        Integer b3 = 1 + b1;
        Integer b4 = a1 -1 ;
        System.out.println(b1==b2);
        System.out.println(b3==a1);
        System.out.println(b4 == b1);
    }
}

　　上面代码的运行结果为 false ,true ,false ,true 。这是很多人第一次见到时都无法理解的，因为这里涉及到了常量池的知识。JVM会把一些int，String等数据进行在常量池中缓存，但是重点在于，对于int型数据，只会缓存 -128~127 范围内的数据。因此：

　　a1、a2超过了127，在堆中分配内存，两者指向不同对象，返回false；

　　b1、b2都指向常量池中的127，故b1、b2指向地址相同，返回true；

　　第3、4个同理，Integer b3 = 1+b1 ----> Integer b3 =Integer.valueOf(1+b1)。

　　7.直接内存

　　JDK1.4后加入了NIO (new I/O)类，引入了基于通道与缓冲区的IO方式，可以使用native函数库分配机器内存，如电脑8g内存，JVM可以使用电脑的剩余内存，只需要在java堆中存储DirectByteBuffer对象作为内存的引用进行操作。这样在某些场景中提高性能。

三.在new一个对象时发生了什么

当虚拟机遇到一条new 指令时，首先回去检查能否在常量池中定位，并检查这个类是否已经被加载、解析、初始化过，如果没有，那么必须先执行类的加载过程。
类加载完成后，接下来将会为对象分配内存，即把一块确定大小的内存从java堆中划分出来。如果java堆是连续且规整的，已分配过的内存放在一边，空闲的在另一边。中间的指针作为分界点的指示器，那么分配内存就是将指针向空闲的方向移动所需要的距离，（使用Serial、PalNew等带规整过程的垃圾收集器）；如果java堆是不规整的，那么虚拟机就必须维护一个记录，分配内存的同时需要更新记录，（如使用CMS这种基于标记-清除算法的收集器）。
将分配到的内存空间赋予初值，如整形变量置0，bool型置false。保证了对象字段在代码中可以不付初值就可以直接使用。然而在实际编写代码中，建议采用赋初值的形式，保持一个良好的代码习惯。另外
```
 String s ;
 System.out.println(s); //未初始化，编译器报错
```
该代码会报错，而不是输出null，切记切记。
初始化对象的对象头数据，每个java对象都有对象头(Object Header)，里面记录了对象是哪个类的实例、如何找到类的元数据信息、哈希码、GC年龄、偏向锁等信息。
执行init方法，把对象按照程序员的一员进行初始化，这样，一个可用的对象才完成new操作。