Java內(nèi)存結(jié)構(gòu)

? ? ? ?顧名思義，主要是關(guān)于Java的運(yùn)行環(huán)境JVM的內(nèi)存功能劃分的概念，一般提到Java內(nèi)存結(jié)構(gòu)，主要就是說JVM的內(nèi)存結(jié)構(gòu)。隨著JDK版本的迭代更新，JVM內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也在有著不同程度的更新，如JDK7中的Oracle HotSpot 開始移除永久代，JDK8中，永久代被元空間（MetaSpace）所取代等等。所以說Java的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，主要也是說的這方面的概念。它與Java具體的程序運(yùn)行分析無關(guān)，主要是說明了JVM的各個(gè)組成部分以及各組成部分的具體作用是什么。

? ? ? ?Java的內(nèi)存結(jié)構(gòu)可以分為堆內(nèi)內(nèi)存和堆外內(nèi)存。簡單來說，堆內(nèi)內(nèi)存是Java程序運(yùn)行時(shí)的主要使用空間，它受Java虛擬機(jī)的內(nèi)存管理所控制，對(duì)于Java開發(fā)人員來說，它是透明的，開發(fā)人員無法準(zhǔn)確控制。但是可以通過一些手段進(jìn)行調(diào)控，從而使程序性能的性能得以提升。堆外內(nèi)存是指JVM以外的區(qū)域，它不受虛擬機(jī)的內(nèi)存管理所控制，而是有操作系統(tǒng)直接管理。

堆內(nèi)內(nèi)存

? ? ? ?這塊主要是JVM的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)，如方法區(qū)、堆區(qū)、棧區(qū)、垃圾回收系統(tǒng)等等。不同的區(qū)有不同功能，具體功能這里不再贅述，其中占據(jù)最大空間的就是堆區(qū)，提到堆區(qū)，就不得不提堆區(qū)的劃分：新生代、老年代（這里將永久代也劃分為一種特殊的老年代）。不同的區(qū)存儲(chǔ)不同“年齡”的對(duì)象，JVM的垃圾回收機(jī)制，可以根據(jù)不同的對(duì)象區(qū)采用不同的垃圾回收策略。

堆外內(nèi)存

? ? ? ?JVM的內(nèi)存管理雖然帶來了使用的方便，同時(shí)也帶來了降低程序性能的問題，這個(gè)也是Java一直為大眾所詬病的問題。因?yàn)楦鞣N算法就算再精確，也不可能做到及時(shí)有效地回收無用的內(nèi)存，而且在垃圾回收的時(shí)候，甚至?xí)斐善渌ぷ鞯臅和＃⊿top the World），這樣會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的整體性能。另外，對(duì)于堆內(nèi)的內(nèi)容在flush到遠(yuǎn)程時(shí)，它會(huì)先復(fù)制到直接內(nèi)存（即堆外內(nèi)存），然后再發(fā)送，這對(duì)性能也有一定的影響。
? ? ? ?Java引入堆外內(nèi)存，它就解決了上面的兩個(gè)痛點(diǎn)，首先是垃圾回收問題，堆外內(nèi)存的垃圾回收不是JVM來完成的，需要開發(fā)者自己來管理，具體什么時(shí)間進(jìn)行回收，由開發(fā)人員自己決定，這樣避免的垃圾回收的時(shí)機(jī)不準(zhǔn)的問題；但是它同樣帶來了挑戰(zhàn)，它對(duì)開發(fā)人員的水平有一定要求，而且一旦出現(xiàn)問題，一般很難排查；然后是flush到遠(yuǎn)程時(shí)的情況，這里因?yàn)樗旧硎褂玫木褪侵苯觾?nèi)存，省去了復(fù)制的步驟，所以堆外內(nèi)存的操作一般效率比較高。
? ? ? ?其他內(nèi)容不再贅述，具體可參考： JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)總結(jié)

Java內(nèi)存模型

概念

? ? ? ?Java的內(nèi)存模型就是描述Java程序中各個(gè)變量（實(shí)例域、靜態(tài)域和數(shù)組元素）之間的關(guān)系，以及在系統(tǒng)中對(duì)變量的存儲(chǔ)和取出操作的具體底層細(xì)節(jié)。它主要針對(duì)的是Java在運(yùn)行期間，數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的流轉(zhuǎn)過程的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。不涉及具體的物理結(jié)構(gòu)，是一種邏輯上的運(yùn)行規(guī)則。

線程工作內(nèi)存

? ? ? ?而Java的內(nèi)存結(jié)構(gòu)一般都直接并發(fā)相關(guān)聯(lián)。一般Java在工作時(shí)，內(nèi)部線程的工作空間有兩部分：線程的本地工作空間（也是線程的數(shù)據(jù)緩存空間）和公共共享空間（主內(nèi)存）。線程間的通訊是通過將數(shù)據(jù)刷到主內(nèi)存中來完成的。主內(nèi)存區(qū)域是線程間共享的區(qū)域，任何線程都可以訪問，而本地工作空間是線程私有空間，線程之間不可互相訪問。

SR-133內(nèi)存模型

? ? ? ?SR -133內(nèi)存模型，這是新的Java內(nèi)存模型標(biāo)準(zhǔn)（JMM）。它主要的目的就是為了闡述基于內(nèi)存操作時(shí)，進(jìn)程（線程）之間的可見性原則 。之前老版本的Java內(nèi)存模型存在很大的爭(zhēng)議性，也有很多嚴(yán)重的問題，所以JDK5以后引入了SR-133內(nèi)存模型。

重排序

? ? ? ?同時(shí)提到內(nèi)存模型就不得不了解重排序概念。它是編譯器以及處理器內(nèi)部的優(yōu)化過程，也就是說開發(fā)人員寫出的代碼與真正編譯后執(zhí)行的指令順序可能是不一樣的，但是它能保證在單線程下程序的執(zhí)行結(jié)果是不會(huì)發(fā)生變化的。這些對(duì)Java開發(fā)人員是透明的，但是如果不了解它，出了問題就很難深究其具體原因。

Volatile和Synchronized

? ? ? ?另外提到并發(fā)，就需要了解Java在并發(fā)環(huán)境下保證執(zhí)行語句的原子性和可見性方式：volatile（不確保原子性，確保可見性）和synchronized（可以確保原子性和可見性）。

? ? ? ?其它內(nèi)容就不再贅述，具體可參考：Java內(nèi)存模型

Java對(duì)象模型

概念

? ? ? ?Java的對(duì)象模型說的是Java中的對(duì)象在內(nèi)存中的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。它描述的是內(nèi)存中Java對(duì)象的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)，相比較于前面兩個(gè)“宏觀”概念，它屬于“微觀”視角。在內(nèi)存中，一個(gè)Java對(duì)象包含三部分：對(duì)象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)和對(duì)齊填充。 其中對(duì)象頭是一個(gè)很關(guān)鍵的部分，因?yàn)?strong>對(duì)象頭中包含鎖狀態(tài)標(biāo)志、線程持有的鎖等標(biāo)志 。下面基于HotSpot虛擬機(jī)來分析Java對(duì)象模型。

OOP-Klass Model

? ? ? ?HotSpot是基于C++實(shí)現(xiàn)的。這里的OOP指的是普通對(duì)象指針（Ordinary Object Pointer）。OOP-Klass結(jié)構(gòu)中包含的內(nèi)容很多，大都涉及到C++的具體實(shí)現(xiàn)。這里只需記住一個(gè)結(jié)果：在Java程序運(yùn)行過程中，每創(chuàng)建一個(gè)新的對(duì)象，在JVM內(nèi)部就會(huì)相應(yīng)地創(chuàng)建一個(gè)對(duì)應(yīng)類型的OOP對(duì)象。oop在C++中定義的類型為oopDesc類型，oopDesc是所有OOPS類的共同基類，例如：instanceOopDesc，arrayOopDesc等等，它們的基類都是oopDesc。不同的子類有不同的使用場(chǎng)景。如：instanceOopDesc表示對(duì)象實(shí)例，即當(dāng)我們new一個(gè)對(duì)象的時(shí)候，JVM會(huì)創(chuàng)建一個(gè)instanceOopDesc對(duì)象來表示這個(gè)Java對(duì)象；同理，當(dāng)我們new一個(gè)Java數(shù)組的時(shí)候，JVM會(huì)創(chuàng)建一個(gè)arrayOopDesc對(duì)象來表示這個(gè)數(shù)組對(duì)象。還有其他各種類型：

//定義了oops共同基類
typedef class   oopDesc*                            oop;
//表示一個(gè)Java類型實(shí)例
typedef class   instanceOopDesc*            instanceOop;
//表示一個(gè)Java方法
typedef class   methodOopDesc*                    methodOop;
//表示一個(gè)Java方法中的不變信息
typedef class   constMethodOopDesc*            constMethodOop;
//記錄性能信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
typedef class   methodDataOopDesc*            methodDataOop;
//定義了數(shù)組OOPS的抽象基類
typedef class   arrayOopDesc*                    arrayOop;
//表示持有一個(gè)OOPS數(shù)組
typedef class   objArrayOopDesc*            objArrayOop;
//表示容納基本類型的數(shù)組
typedef class   typeArrayOopDesc*            typeArrayOop;
//表示在Class文件中描述的常量池
typedef class   constantPoolOopDesc*            constantPoolOop;
//常量池告訴緩存
typedef class   constantPoolCacheOopDesc*   constantPoolCacheOop;
//描述一個(gè)與Java類對(duì)等的C++類
typedef class   klassOopDesc*                    klassOop;
//表示對(duì)象頭
typedef class   markOopDesc*                    markOop;

? ? ? ?在HotSpot中，oopDesc、instanceOopDesc和arrayOopDesc分別是定義在不同.hpp文件中的（oopDesc定義在oop.hpp中，instanceOopDesc 定義在instanceOop.hpp中，arrayOopDesc定義在arrayOop.hpp中）。

class oopDesc {
  friend class VMStructs;
  private:
      volatile markOop  _mark;
      union _metadata {
        wideKlassOop    _klass;
        narrowOop       _compressed_klass;
      } _metadata;

  private:
      // field addresses in oop
      void*     field_base(int offset)        const;

      jbyte*    byte_field_addr(int offset)   const;
      jchar*    char_field_addr(int offset)   const;
      jboolean* bool_field_addr(int offset)   const;
      jint*     int_field_addr(int offset)    const;
      jshort*   short_field_addr(int offset)  const;
      jlong*    long_field_addr(int offset)   const;
      jfloat*   float_field_addr(int offset)  const;
      jdouble*  double_field_addr(int offset) const;
      address*  address_field_addr(int offset) const;
}


class instanceOopDesc : public oopDesc {
}

class arrayOopDesc : public oopDesc {
}

? ? ? ?實(shí)際上instanceOopDesc里面只是單純地繼承了oopDesc，里面并沒有定義其他的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。而從oopDesc源碼中可以發(fā)現(xiàn)，它里面實(shí)際可以分成三塊：markOop _mark、共用體 _metadata以及各種field字段。

? _mark：“標(biāo)記”的意思，它里面存儲(chǔ)了相關(guān)對(duì)象的鎖信息，GC分代信息等。

? field：都是各種在oop中定義的字段內(nèi)存地址，都有各自的使用方式，這里不做深入分析。

? _metadata：它里面有兩個(gè)內(nèi)容，_klass（表示普通指針）、_compressed_klass(是壓縮類指針)。
這里主要分析klass

Klass

和oopDesc所處的地位一樣，Klass類是其他Klass類型的基類。它有兩個(gè)功能：

• 實(shí)現(xiàn)語言層面的Java類（在Klass基類中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)）
• 實(shí)現(xiàn)Java對(duì)象的分發(fā)功能（由Klass的子類提供虛函數(shù)實(shí)現(xiàn)）

? ? ? ?其實(shí)由此可以推斷出，實(shí)際上在Java中的類在底層實(shí)現(xiàn)上也是一種對(duì)象，也就是Klass所對(duì)應(yīng)的實(shí)例。例如：instanceKlass類型，它實(shí)際上就是在Java中，每加載一個(gè)類，都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)instanceKlass對(duì)象，所以在底層實(shí)現(xiàn)上也可以說類也是一種“對(duì)象”，只不過是一種特殊的對(duì)象。

klass鏈.png

oop-klass-klassKlass關(guān)系.png

? 這里有一個(gè)很好的例子：

class Model {
    public static int a = 1;
    public int b;

    public Model(int b) {
        this.b = b;
    }
}

public static void main(String[] args) {
    int c = 10;
    Model modelA = new Model(2);
    Model modelB = new Model(3);
}

對(duì)象實(shí)例存儲(chǔ)結(jié)構(gòu).jpeg

? ? ? ?具體對(duì)象模型分析可以參考博客：深入理解多線程（二）--- Java對(duì)象模型，深入理解多線程（三）--- Java的對(duì)象頭

總結(jié)：

? ? ? ?在JVM加載類的時(shí)候，會(huì)創(chuàng)建一個(gè)instanceKlass，因?yàn)镴VM中類加載信息存儲(chǔ)在方法區(qū)中，所以instanceKlass會(huì)在方法區(qū)中創(chuàng)建。當(dāng)我們?cè)贘ava中new一個(gè)對(duì)象的時(shí)候，無論是普通對(duì)象還是數(shù)組，都是對(duì)象的一種，它會(huì)在JVM中創(chuàng)建一個(gè)對(duì)應(yīng)的instanceOopDesc對(duì)象，來表示Java中的對(duì)象，它里面主要結(jié)構(gòu)有三部分：_mark部分（用于存儲(chǔ)對(duì)象的鎖信息，GC分代信息等）、_metadata（共用體，存儲(chǔ)一個(gè)普通klass指針，指向?qū)ο笏鶎兕?，_compressed_kass，壓縮類的指針）。而且在JVM中，實(shí)際上類在底層實(shí)現(xiàn)上也是一種對(duì)象，它也有與Java對(duì)象在底層實(shí)現(xiàn)上相類似的結(jié)構(gòu)，也會(huì)有一個(gè)klass來描述所屬類型，所以不難想象出，這里的klass實(shí)際上就形成了一種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。