Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域：

1，程序计数器Program Counter Register

一块较小的内存空间，非所有线程共享的区域，每个程序计数器，都会记录当前线程执行到的位置。

由于多线程之间会互相切换，为了在切换以后还能恢复到正确的执行位置，每条线程都有自己独立的程序计数器，他们之间互不影响，独立存储，称这块区域为“线程私有”的内存。

如果正在执行的是java方法，那么计数器记录的就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，计数器就为空(Undefined).

虚拟机字节码，字节码解释器工作时，就是通过改变程序计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指定，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。

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2,虚拟机栈 VM Stack

线程私有的，生命周期与线程相同

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(Stack Frame，方法运行时的基础数据结构)，用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息。

每个方法调用直至执行完成，都对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

虚拟机栈中有一个局部变量表的部分，存放了编译期可知的八大基本数据类型，对象引用类型(reference)，returnAddress类型(指向一条字节码指令的地址)

局部变量表所需的空间会在编译期分配完成。当进入一个方法时，这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在运行期间是不会改变局部变量表大小的。

3，本地方法栈 Native Method Stack

本地方法栈为虚拟机使用到的native方法服务，和虚拟机栈类似，只是一个是java方法，一个是本地方法。虚拟机规范中没有对本地方法使用的语言，方式，数据结构做出强制规定，可以由具体的虚拟机自由实现。甚至有的虚拟机把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

4,堆 Heap

虚拟机所管理的内存中最大的一块，被所有线程共享的一块区域，在虚拟机启动时创建。用来存放对象实例。虚拟机规范中说：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配(随着技术的发展，可能有一些其他的优化方案，就不那么绝对了)

垃圾收集：

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做GC堆，Garbage Collected Heap.

因为收集器都采用分代算法，所有java堆可以细分为：新生代，老年代，，多个线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer,TLAB)等，都是存放的对象实例。

划分目的是为了更好的回收/分配内存。

5，方法区 Method Area

所有线程共享区域，用于存储已经被虚拟机加载的常量，静态变量，类信息，即时编译器编译后的代码等数据。

虚拟机规范把方法区描述为堆中的一个逻辑部分，但是它的别名叫做Non-Heap(非堆)，目的就是为了和Java堆区分开来。

虚拟机规范可以允许方法区不实现垃圾回收，内存在这个区域的回收主要是常理池的回收和对类型的卸载。所以这个部分的回收其实是必要的。

6，运行时常量迟

属于方法区一部分，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。编译器和运行期(String 的 intern() )都可以将常量放入池中。内存有限，无法申请时抛出 OutOfMemoryError。

7，直接内存

非虚拟机运行时数据区的部分

在 JDK 1.4 中新加入 NIO (New Input/Output) 类，引入了一种基于通道(Channel)和缓存(Buffer)的 I/O 方式，它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。可以避免在 Java 堆和 Native 堆中来回的数据耗时操作。

OutOfMemoryError：会受到本机内存限制，如果内存区域总和大于物理内存限制从而导致动态扩展时出现该异常。

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垃圾回收器与内存分配策略

概述

程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈 3 个区域随线程生灭(因为是线程私有)，栈中的栈帧随着方法的进入和退出而有条不紊地执行着出栈和入栈操作。

而 Java 堆和方法区则不一样，一个接口中的多个实现类需要的内存可能不一样，一个方法中的多个分支需要的内存也可能不一样，我们只有在程序处于运行期才知道那些对象会创建，这部分内存的分配和回收都是动态的，垃圾回收期所关注的就是这部分内存。

在进行内存回收之前要做的事情就是判断那些对象是‘死’的，哪些是‘活’的。

引用计数法

给对象添加一个引用计数器，但是难以解决循环引用问题。

可达性分析法

通过一系列的 ‘GC Roots’ 的对象作为起始点，从这些节点出发所走过的路径称为引用链。当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连的时候说明对象不可用。

可作为 GC Roots 的对象：

• 虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象
• 方法区中类静态属性引用的对象
• 方法区中常量引用的对象
• 本地方法栈中 JNI(即一般说的 Native 方法) 引用的对象

回收方法区

在堆中，尤其是在新生代中，一次垃圾回收一般可以回收 70% ~ 95% 的空间，而永久代的垃圾收集效率远低于此。

永久代垃圾回收主要两部分内容：废弃的常量和无用的类。

判断废弃常量：一般是判断没有该常量的引用。

判断无用的类：要以下三个条件都满足

• 该类所有的实例都已经回收，也就是 Java 堆中不存在该类的任何实例
• 加载该类的 ClassLoader 已经被回收
• 该类对应的 java.lang.Class 对象没有任何地方呗引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法

Java 内存模型与线程

Java 内存模型

屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异。

主内存和工作内存之间的交互

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• 原子性(Atomicity)

由 Java 内存模型来直接保证的原子性变量操作包括 read、load、assign、use、store 和 write。大致可以认为基本数据类型的操作是原子性的。同时 lock 和 unlock 可以保证更大范围操作的原子性。而 synchronize 同步块操作的原子性是用更高层次的字节码指令 monitorenter 和 monitorexit 来隐式操作的。

• 可见性(Visibility)

是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程也能够立即得知这个通知。主要操作细节就是修改值后将值同步至主内存(volatile 值使用前都会从主内存刷新)，除了 volatile 还有 synchronize 和 final 可以保证可见性。同步块的可见性是由“对一个变量执行 unlock 操作之前，必须先把此变量同步会主内存中( store、write 操作)”这条规则获得。而 final 可见性是指：被 final 修饰的字段在构造器中一旦完成，并且构造器没有把 “this” 的引用传递出去( this 引用逃逸是一件很危险的事情，其他线程有可能通过这个引用访问到“初始化了一半”的对象)，那在其他线程中就能看见 final 字段的值。

• 有序性(Ordering)

如果在被线程内观察，所有操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有操作都是无序的。前半句指“线程内表现为串行的语义”，后半句是指“指令重排”现象和“工作内存与主内存同步延迟”现象。Java 语言通过 volatile 和 synchronize 两个关键字来保证线程之间操作的有序性。volatile 自身就禁止指令重排，而 synchronize 则是由“一个变量在同一时刻指允许一条线程对其进行 lock 操作”这条规则获得，这条规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行的进入。

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