Java内存区域详解
如果没有特殊说明，都是针对的是 HotSpot 虚拟机。
本文基于《深入理解 Java 虚拟机：JVM 高级特性与最佳实践》进行总结补充
常见面试题：
介绍下 Java 内存区域（运行时数据区）
JDK1.7
JDK1.8
线程私有的：
- 程序计数器：第一个作用用来读取指令，从而实现代码的流程控制。第二个作用是，在多线程的情况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置。
- 虚拟机栈：它的生命周期和线程相同，是为java方法的调用来服务的。
- 本地方法栈：和虚拟机栈所发挥的作用非常相似，区别是：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。
线程共享的：
- 堆：此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例以及数组都在这里分配内存。
随着 JIT 编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，所有的对象都分配到堆上也渐渐变得不那么"绝对"了。
在JDK 1.7及以后的版本中，默认开启了逃逸分析。逃逸分析是指在运行时分析对象的作用域，以确定对象是否会逃逸出当前方法或线程的范围，从而优化内存分配和提高性能。通过逃逸分析，JVM可以确定某些对象的引用没有逃逸出当前方法或线程的范围，这样这些对象就可以被优化为栈上分配或进行标量替换。栈上分配是指将对象直接分配在线程的栈空间上，而不是在堆上分配。标量替换是指将对象拆分为其各个成员变量，并将这些成员变量作为栈上的标量进行操作，从而避免在堆上创建对象实例。
在 JDK 7 版本及 JDK 7 版本之前，堆内存被通常分为下面三部分：
- 新生代内存(Young Generation)
- 老生代(Old Generation)
- 永久代(Permanent Generation)
JDK 8 版本之后 PermGen(永久代) 已被 Metaspace(元空间) 取代，元空间使用的是本地内存。
- 方法区
方法区属于是 JVM 运行时数据区域的一块逻辑区域，方法区到底要如何实现那就是虚拟机自己要考虑的事情了。
当虚拟机要使用一个类时，它需要读取并解析 Class 文件获取相关信息，再将信息存入到方法区。方法区会存储已被虚拟机加载的 类信息、字段信息、方法信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。
方法区和永久代以及元空间是什么关系呢？ 方法区和永久代以及元空间的关系很像 Java 中接口和类的关系，类实现了接口，这里的类就可以看作是永久代和元空间，接口可以看作是方法区，也就是说永久代以及元空间是 HotSpot 虚拟机对虚拟机规范中方法区的两种实现方式。并且，永久代是 JDK 1.8 之前的方法区实现，JDK 1.8 及以后方法区的实现变成了元空间。
- 运行时常量池
Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有用于存放编译期生成的各种字面量（Literal）和符号引用（Symbolic Reference）的 常量池表(Constant Pool Table) 。
常量池表会在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。
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字符串常量池
字符串常量池 是 JVM 为了提升性能和减少内存消耗针对字符串（String 类）专门开辟的一块区域，主要目的是为了避免字符串的重复创建。
JDK 1.7 为什么要将字符串常量池移动到堆中？
主要是因为永久代（方法区实现）的 GC 回收效率太低，只有在整堆收集 (Full GC)的时候才会被执行 GC。Java 程序中通常会有大量的被创建的字符串等待回收，将字符串常量池放到堆中，能够更高效及时地回收字符串内存。
Java 对象的创建过程
（五步，建议能默写出来并且要知道每一步虚拟机做了什么）
Step1:类加载检查
虚拟机遇到一条 new 指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到这个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载过、连接和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。
Step2:分配内存
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完成后便可确定。分配方式 有 "指针碰撞" 和 "空闲列表" 两种，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。
内存分配的两种方式 （补充内容，需要掌握）：
- 指针碰撞：
- 适用场合：堆内存规整（即没有内存碎片）的情况下。
- 原理：用过的内存全部整合到一边，没有用过的内存放在另一边，中间有一个分界指针，只需要向着没用过的内存方向将该指针移动对象内存大小位置即可。
- 使用该分配方式的 GC 收集器：Serial, ParNew
- 空闲列表：
- 适用场合：堆内存不规整的情况下。
- 原理：虚拟机会维护一个列表，该列表中会记录哪些内存块是可用的，在分配的时候，找一块儿足够大的内存块儿来划分给对象实例，最后更新列表记录。
- 使用该分配方式的 GC 收集器：CMS
选择以上两种方式中的哪一种，取决于 Java 堆内存是否规整。而 Java 堆内存是否规整，取决于 GC 收集器的算法是"标记-清除"，还是"标记-整理"（也称作"标记-压缩"），值得注意的是，复制算法内存也是规整的。
内存分配并发问题（补充内容，需要掌握）
在创建对象的时候有一个很重要的问题，就是线程安全，因为在实际开发过程中，创建对象是很频繁的事情，作为虚拟机来说，必须要保证线程是安全的，通常来讲**，虚拟机采用两种方式来保证线程安全：**
- CAS+失败重试： CAS 是乐观锁的一种实现方式。所谓乐观锁就是，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。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。
- TLAB（Thread Local Allocation Buffer）： 为每一个线程预先在 Eden 区分配一块儿内存，JVM 在给线程中的对象分配内存时，首先在 TLAB 分配，当对象大于 TLAB 中的剩余内存或 TLAB 的内存已用尽时，再采用上述的 CAS 进行内存分配。
Step3:初始化零值
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），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。
Step4:设置对象头
初始化零值完成之后，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头中。
[Step5:执行 init 方法](#Step5:执行 init 方法)
在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但从 Java 程序的视角来看，对象创建才刚开始，<init> 方法还没有执行，所有的字段都还为零。所以一般来说，执行 new 指令之后会接着执行 <init> 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产生出来。
对象的内存布局
在 Hotspot 虚拟机中，对象在内存中的布局可以分为 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 （哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志等等），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。
实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序中所定义的各种类型的字段内容。
对齐填充部分不是必然存在的，也没有什么特别的含义，仅仅起占位作用
对象的访问定位的两种方式
（句柄和直接指针两种方式）
建立对象就是为了使用对象，我们的 Java 程序通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。对象的访问方式由虚拟机实现而定，目前主流的访问方式有：使用句柄 、直接指针。
句柄
如果使用句柄的话，那么 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对象类型数据各自的具体地址信息。
直接指针
如果使用直接指针访问，reference 中存储的直接就是对象的地址。
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是 reference 中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而 reference 本身不需要修改。使用直接指针访问方式最大的好处就是速度快，它节省了一次指针定位的时间开销。