深入解析JAVA运行时数据区：方法区、虚拟机栈、本地方法栈、堆与程序计数器的功能与区别

JAVA运行时数据区分为：

方法区，虚拟机栈，本地方法栈，堆，程序计数器

堆是共享区域，方法区也是共享区域。虚拟机栈是线程私有的，本地方法栈是线程私有的，程序计算器也是线程私有的。

程序计数器：

它是内存中最小的一块区域，其职责是记录当前线程正在执行的字节码的行号。并且它是唯一一块不会出现 OutOfMemoryError 这种情况的区域。

程序运行 java 方法时，程序计数器所记录的是当前正在执行的虚拟机字节码指令的地址。当执行 native 方法时，程序计数器为空。

虚拟机栈：

用于描述 java 方法执行的是内存模型，每个方法在执行时会创建一个栈帧，此栈帧包含局部变量表、操作数栈、动态链接以及方法出入口信息。方法执行的过程实际上就是栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

在面试中，常常提到的堆和栈，通常指的就是虚拟机栈。更具体地说，是虚拟机栈中的局部变量表。

局部变量存储的对象包括：其一，基本数据类型，如 int、long、float 等；其二，对象的引用，该引用地址指向对象的起始地址，代表着对象句柄；其三，returnAddress 指向了一条字节码地址。

内存分配的时间是在编译期。当进入一个方法时，需要分配的内存数量已经确定。

4. 例如，可以将栈桢大小调整为 -Xss256k 。

如果虚拟机栈能够进行动态扩展，然而在扩展的过程中，如果无法申请到足够的内存，就会抛出 OutOfMemoryError。

操作数栈主要用来存放一些运算所需的参数，同时也会存放中间结果。并且在调用其他方法时，也可能会用到这里的参数。

常量池中有大量的符号引用，在运行期间会转换为直接引用，这种从符号引用到直接引用的转换就是动态链接。

本地方法栈：

有些虚拟机把服务于 native 方法的虚拟机栈和本地方法栈合并成了一个。

堆：

它是内存区域中最大的一块。它主要用来存储对象实例。从原则上讲，所有的对象以及数组都是在这块区域分配内存的。

GC 活动的主要区域是这里。为了能更好地分配内存，堆被分成了新生代和老年代。GC 主要在新生代区活跃。

-Xms:堆的最小值

-Xmx:堆的最大值

-Xmn:新生代的大小

-XX:NewSize:新生代的最小值

-XX:MaxNewSize :新生代的最大值

为对象分配内存，若内存空间不足，就会抛出 OutOfMemoryError 。

方法区/永久代：

方法区是堆的一个逻辑部分。它不等同于堆。堆主要用来存放对象实例。方法区存在一些与之对应的附加信息。

类相关的信息（包括类版本、方法、字段、接口等），还有常量、静态变量以及编译后的代码等

可用以下参数调整：

jdk1.7 及之前：有 -XX:PermSize ；还有 -XX:MaxPermSize 。

jdk1.8 之后：-XX:MetaspaceSize 以及 -XX:MaxMetaspaceSize

jdk1.8以后大小就只受本地总内存的限制

如：-XX:MaxMetaspaceSize=3M

特殊的内存区域：

运行时常量池：？？？？ 什么鬼和方法区的区别

直接内存：

在网络请求中，请求的内容处于系统的系统态。而 java 运行在用户态，这就需要将系统态转化为用户态。基于此，提出了直接内存。它与元空间类似，仅受本地内存的影响。

它不是虚拟机运行时数据区的组成部分，也不属于 java 虚拟机规范所定义的内存区域。倘若使用了 NIO，那么这块区域将会被频繁地使用。在 java 堆内，能够通过 directByteBuffer 对象进行直接引用并对其进行操作。

这块内存不受 java 堆大小的限制，它受本机总内存的限制。可以通过 -XX:MaxDirectMemorySize 来对其进行设置，并且默认情况下它与堆内存的最大值是一样的。因此，也会出现 OOM 异常。

java内存模型，新生代和老年代的相关知识

各个版本内存区域的变化

站在线程角度来看

深入辨析堆和栈

用栈帧来存储方法调用的过程，同时存储方法调用过程中基本数据类型的变量，如 int、short、long、byte、float、double、boolean、char 等，以及对象的引用变量。这些变量的内存分配在栈上，当变量超出作用域时，就会自动被释放。

堆内存用于存储 Java 中的对象。成员变量所指向的对象存储在堆内存中；局部变量所指向的对象也存储在堆内存中；类变量所指向的对象同样存储在堆内存中。

线程独享还是共享

空间大小

栈的内存要远远小于堆内存

栈上分配

虚拟机提供一种优化技术。其基本思想为，针对线程私有的对象，把它进行打散并分配在栈上，而非分配在堆上。这样做的好处在于，对象能依据方法调用自行销毁，无需进行垃圾回收，从而能够提升性能。

栈上分配需要的技术基础是逃逸分析。逃逸分析的目的在于判断对象的作用域是否会超出方法体。

注意：任何可以在多个线程之间共享的对象，一定都属于逃逸对象

公共的方法用于进行测试，它接受两个整数参数，一个是 x，另一个是 y。

String x = “”;

User u = ….

…..

User类型的对象u就没有逃逸出方法test。

public User 进行测试（int x，int y）{

String x = “”;

User u = ….

…..

return u;

User类型的对象u就逃逸出方法test。

如何启用栈上分配

JVM 运行有多种模式，其中 server 模式是运行模式之一，只有 server 模式才可以进行逃逸分析。JVM 运行的模式除了 server 模式还有 mix 模式和 client 模式。在 windows 机器上默认运行在 client 模式下，mix 模式是混合模式，会自动根据操作系统的版本来决定运行的方式。只有 server 模式才能进行逃逸分析。

-Xmx10m和-Xms10m：堆的大小

启用逃逸分析，这是 XX 的一个设置，其名称为 +DoEscapeAnalysis，默认是打开状态的

-XX:+PrintGC：打印GC日志

XX:+EliminateAllocations 表示标量替换（默认打开），其含义是对象内的成员变量，在经过逃逸分析后，如果发现无法逃出，就会被当作局部变量在栈上进行分配。

UseTLAB 会关闭本地线程分配缓冲。在这之前，会事先在堆里面为每个线程分配一块私有内存。然而，这块私有内存实际上也是每个线程共享的。

TLAB 指的是 ThreadLocalAllocBuffer，其具体解释可参见下文《虚拟机中的对象---对象的分配----2）》

影响栈上分配的参数有三个，分别是-server、-XX:+DoEscapeAnalysis 和 -XX:+EliminateAllocations。只要其中任何一个参数发生变化，就不会发生栈上分配。由于启用逃逸分析和标量替换默认是开启的，所以在我们的例子中，即便只使用 JVM 的-server 参数，也能达到栈上替换的效果。

服务器使用 -Xmx10m 和 -Xms10m 内存设置，并开启了 +DoEscapeAnalysis 特性。
使用 -XX:+PrintGC 选项，同时使用 -XX:+EliminateAllocations 选项，并且不使用 -XX:-UseTLAB 选项。

栈上分配的效果

对于同一个 User 的对象实例，进行 100000000 次分配操作。当启用栈上分配时，仅需 6 毫秒；而不启用栈上分配时，需要 3 秒。

虚拟机中的对象对象的分配

虚拟机遇到一条new指令时：

1）

先执行相应的类加载过程。

2）

接下来虚拟机要为新生对象分配内存。为对象分配空间这件事，就如同把一块有着确定大小的内存从 Java 堆里划分出来。

如果 Java 堆中的内存是绝对规整的。所有用过的内存被放在一边，空闲的内存放在另一边。中间放置着一个指针，这个指针作为分界点的指示器。那么所分配的内存就是把那个指针向空闲空间那边移动一段与对象大小相等的距离。这种分配方式被称为“指针碰撞”。

如果 Java 堆中的内存不是规整的，已使用的内存与空闲的内存相互交错。这样的话，就无法简单地进行指针碰撞了。于是，虚拟机必须维护一个列表，这个列表要记录哪些内存块是可用的。在分配时，从列表中找到一块足够大的空间，将其划分给对象实例，并且还要更新列表上的记录。这种分配方式被称为“空闲列表”。

Java 堆是否规整会决定选择哪种分配方式。同时，所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能也会决定 Java 堆是否规整。

除了划分可用空间的问题之外，还有一个需要考虑的问题。对象创建在虚拟机中是频繁的行为。即使只是修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也不是线程安全的。可能会出现正在给对象 A 分配内存，而指针还没来得及修改，对象 B 又同时使用原来的指针来分配内存的情况。

解决这个问题存在两种方案。其中一种方案是对分配内存空间的动作进行同步处理。实际上，虚拟机通过采用 CAS 配上失败重试的方式，来保证更新操作的原子性。

一种是将内存分配动作依线程划分至不同空间进行。每个线程在 Java 堆中预先分配一小块私有内存，即本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer,TLAB）。若设置了虚拟机参数 -XX:UseTLAB，在线程初始化时，会申请一块指定大小的内存，仅供当前线程使用。如此，每个线程都单独拥有一个 Buffer。当需要分配内存时，在自己的 Buffer 上进行分配，就不会有竞争情况，能大幅提升分配效率。当 Buffer 容量不足时，再从 Eden 区域重新申请一块继续使用。

TLAB 的目的在于，当为新对象分配内存空间之时，能够让每一个 Java 应用线程都可以运用自身专属的分配指针去进行空间分配，以此来减少同步开销。

TLAB 能够让每个线程拥有私有的分配指针。然而，存放对象的内存空间是可供所有线程访问的，只是其他线程无法在这个区域进行分配。当一个 TLAB 被使用完毕，也就是分配指针 top 碰到了分配极限 end 时，就会新申请一个 TLAB。

3）

内存分配完成后，虚拟机需把分配到的内存空间初始化为零值。比如 int 的值会被设为 0，boolean 的值会被设为 false 等。这一操作确保了在 Java 代码中，对象的实例字段无需赋予初始值就能直接使用，程序能够访问到这些字段所对应的数据类型的零值。

4）

接下来，虚拟机需要对对象进行一些设置。其中包括确定这个对象是属于哪个类的实例。还要明确怎样才能找到该类的元数据信息。同时，要知晓对象的哈希码。以及对象的 GC 分代年龄等信息。这些信息都被存放在对象的对象头里。

5）

工作完成之后，从虚拟机视角看，新的对象已产生；而从 Java 程序视角看，对象创建才刚起步，所有字段皆为零值。所以，通常情况下，执行 new 指令后会接着按程序员意愿初始化对象，如此一个真正可用的对象才算完全诞生。

对象的内存布局

HotSpot 虚拟机中，对象在内存里存储的布局可分为三块区域。其一为对象头（Header），其二是实例数据（Instance Data），其三是对齐填充（Padding）。

对象头包含两部分信息。其一用于存储对象自身的运行时数据，像哈希码，包括HashCode；还有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。

对象头的一部分为类型指针，此类型指针是对象指向其类元数据的指针，虚拟机凭借这个指针能够确定该对象属于哪个类的实例。

第三部分对齐填充并非必然存在，也没有特殊含义，只是起着占位符的作用。HotSpot VM 的自动内存管理系统要求对象的大小必须是 8 字节的整数倍。若对象其他数据部分未对齐，就需通过对齐填充来补全。

对象的访问定位

建立对象的目的是使用对象。在我们的 Java 程序中，需要借助栈上的 reference 数据来对堆上的具体对象进行操作。目前，主流的访问方式主要有两种，一种是使用句柄，另一种是直接指针。

如果使用句柄进行访问，Java 堆中会划分出一块内存当作句柄池。reference 中存储的是对象的句柄地址，并且句柄包含了对象实例数据以及类型数据各自的具体地址信息。

使用直接指针访问时，reference 里存储的直接就是对象的地址。

这两种对象访问方式各有其优势。使用句柄来访问的好处在于，reference 中存储的是稳定的句柄地址。当对象被移动时（垃圾收集时移动对象是很常见的行为），只会改变句柄中的实例数据指针，而 reference 本身无需进行修改。

使用直接指针访问方式有速度更快的好处。它节省了一次指针定位的时间开销。在 Java 中，对象的访问非常频繁。这类开销积少成多后是一项非常可观的执行成本。

Sun HotSpot 采用直接指针访问方式来进行对象访问。

堆参数设置和内存溢出实战堆溢出：

参数为：-Xms5m ；参数为：-Xmx5m ；参数为：-XX:+PrintGC

出现 java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded 这种情况，一般来说，在某个循环里可能性最大的情况是不停在分配对象，并且分配的数量过多，从而把堆给撑爆了。

出现 java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space 这种情况，通常是因为分配了巨型对象。

栈溢出

参数：-Xss256k

Java.lang.StackOverflowError 这种情况一般在方法调用中是比较难出现的。如果出现了这种情况，就需要考虑是否存在无限递归的问题。

非递归代码则较为复杂但速度较快。