Java与C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的高墙，墙外面的人想进来，墙里面的人却想出来。

不知道其他人想出来没，反正我是没想出来，为什么这个JVM的运行时内存要这样设计?。

以下内容中，Java虚拟机(JVM)特指HotSpot虚拟机。

JVM启动后，整体来看，会把向操作系统申请到的内存空间分成这样几个部分：

1. 程序计数器区
2. 虚拟机栈
3. 本地方法栈
4. 堆
5. 方法区

它们在《Java虚拟机规范》中都有相关规定和说明，只是有的区域具体实现细节根据Java虚拟机实现者来决定，《Java虚拟机规范》不做强行要求，例如方法区。下面对这几个部分进行详细叙述，在叙述过程中，需要不断参考下面这个示意图来帮助理解。

文中示例程序来自
《深入理解Java虚拟机》
周志明·著
如有雷同，不是巧合 ?

1. 程序计数器区(Program Counter Register)

这个区域内容指向当前线程所执行字节码行号，是线程私有区域。和操作系统里面的PC指针类似，只不过这个PC指针指向当前执行的字节码行号，操作系统的指针指向下一条执行的指令地址。

需要额外注意的是，如果当前线程在执行Java程序，那么如上所述指向字节码行号，如果执行的是Native方法，那么这个区域是空(Undefined)的。

该区域也是唯一一个《Java虚拟机规范》里面没有 OutOfMemoryError 错误的定义的区域。

2. Java虚拟机栈(VM Stack)

该区域的内容是Java方法执行的线程内存模型，具体来说，存放的是栈帧，在栈帧中，存放了局部变量表、操作数栈等信息，当一个方法被调用时，就会创建一个栈帧来记录信息，方法从被调用到返回的过程，也就对应了栈帧从入栈(虚拟机栈)到出栈的过程。显而易见，这个区域必须是线程私有的，否则就混乱了呀?。

这个区域在《Java虚拟机规范》中，详细定义了以下内容：

1. 如果线程所创建的栈帧个数大于虚拟机所允许的个数，那么抛出 StackOverflowError 异常。
2. 如果在创建栈帧的过程中，因为内存不足所失败了，则会抛出 OutOfMemoryError 异常。

2.1 虚拟机栈异常示例程序

/** * VM Args: -Xss128k * -Xss: 减小栈内存容量 * 虚拟机栈和本地方法栈测试，抛出 StackOverflow 异常 */public class JavaVMStackSOF {    private int stackLength = 1;

    public void stackLeak() {        stackLength++;        stackLeak();    }

    public static void main(String[] args) throws Throwable {        JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();        try {            oom.stackLeak();        } catch (Throwable e) {            System.out.println("Stack length: " + oom.stackLength);            throw e;        }    }}

对于 OutOfMemoryError 就需要格外小心了，程序如下：

/** * ！！ 需要先保存当前系统的工作，因为这个程序比较危险。 * 可能会造成系统假死或者其他异常(甚至强制重启才可以使用)。 * 


 * VM Args: -Xss2m
 * -Xss: 减少栈内存容量
 * 使用线程来制造内存溢出异常
 */


public class JavaVMStackOOM {
    private void dontStop() { while (true) {} }

public void stackLeakByThread() {
        while (true) {
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                public void run() { dontStop(); }
            });
            thread.start();
        }
    }

public static void main(String[] args) {
        JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();
        oom.stackLeakByThread();
    }
}


3. 本地方法栈(Native Method Stack)

本地方法栈“雷同”虚拟机栈的功能，唯一的区别在于前者记录的是本地方法的执行记录，后者是Java程序的执行记录。

因为这个区域在《Java虚拟机规范》中并没有详细规定本地方法的实现语言和数据结构，所以虚拟机可以根据自己需要来进行扩展。只不过，在HotSpot虚拟机中，是把虚拟机栈和本地方法栈统一放到一起了的。

在可能抛出的异常类型上，和虚拟机栈一样样：

1. 如果线程所创建的栈帧个数大于虚拟机所允许的个数，那么抛出 StackOverflowError 异常。
2. 如果在创建栈帧的过程中，因为内存不足所失败了，则会抛出 OutOfMemoryError 异常。

4. 堆(Heap)

此堆非彼堆，不是同一堆?。上篇文章说到的《探索STL：堆数据结构及算法》，和这里的堆完全不是同一个概念。更何况，这个堆是Java虚拟机的东西，那个是C++的东西，两个混淆了不大好吧?。

Java堆可以说是整个Java虚拟机中最灵活的地方了，也是最值得研究的地方了，目前好多研究都是围绕这个区域的垃圾收集(Garbage Collection, GC)展开的。这个区域在Java虚拟机启动之初就创建好了，给所有线程共享使用，这里存放的唯一内容就是对象实例，拿《Java虚拟机规范》中的描述来说就是：

The heap is the runtime data area from which memory for all class instances and arrays is allocated.

这一块内存是设计成可扩展的，使用参数 -Xmx 和 -Xms 来设定允许的最大内存和允许的最小内存。当内存不够完成实例的创建也不能完成内存扩展时，将会抛出 OutOfMemoryError 异常。

4.1 堆内存溢出程序示例

import java.util.ArrayList;import java.util.List;/** * -Xms 设置最小值 * -Xmx 设置最大值 * -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError  当出现内存溢出异常时，Dump出当前的内存转储快照 * VM Args: -Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError * 


 * 堆内存溢出异常测试
 */


class HeapOOM {
    static class OOMObject {}
    public static void main(String[] args) {
        List list = new ArrayList();while (true) {
            list.add(new OOMObject());
        }
    }
}

5. 方法区(Method Area)

这个区域也是线程共享区域，里面存放了被虚拟机加载进来的：

• 类信息
• 常量、静态变量
• 即时编译后的程序

需要注意的是在这里有一个版本分歧，JDK6及以前的版本，方法区使用分代设计来实现该区域，但是JDK7就开始不一样了，首先是在JDK7吧放在永久代的字符串常量池、静态变量移出到了本地内存中，到了JDK8，彻底将方法区的分代设计抛弃了，换成了使用本地内存实现的“元空间”代替。

这个空间在不能满足新的内存分配需求时，抛出 OutOfMemoryError 异常。

4.1 方法区内存溢出示例程序

import net.sf.cglib.proxy.Enhancer;import net.sf.cglib.proxy.MethodInterceptor;import net.sf.cglib.proxy.MethodProxy;

import java.lang.reflect.Method;

/** * VM Args: -XX:PermSize=10m -XX:MaxPermSize=10m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError * 上面这个设置是没用的，因为从JDK8开始，HotSpot虚拟机就没有了永久代这么一说，变成了元空间可通过这样设置来实现： * VM Args: -XX:MaxMetaspaceSize=10m * -XX:MaxMetaspaceSize=10m 设置最大元空间，默认是-1，即不设置大小(受限于本地) * -XX:MetaspaceSize=10m    设置元空间的初始空间大小，以字节为单位，如果达到了该值，就会触发垃圾收集，并且会调整元空间的大小 * -XX:MinMetaspaceFreeRatio * 报错为：Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace */public class JVMMethodAreaOOM {    static class OOMObject {}

    public static void main(String[] args) {        while (true) {            Enhancer enhancer = new Enhancer();            enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);            enhancer.setUseCache(false);            enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {                public Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {                    return methodProxy.invokeSuper(o, objects);                }            });            enhancer.create();        }    }}

5.1 运行时常量池(Runtime Constant Pool)

这是一个神奇的区域?

首先它是方法区的一个部分，在类文件中有一部分内容是常量池表，这部分内容存放了在编译器生成的字面量和符号引用，在类加载后放到方法区的运行时常量中。

运行时常量池具备动态特性，也就是说可以将运行期产生的常量放到池子中，例如 String.intern() 方法。

同方法区异常一样，在内存申请不足的时候，会抛出 OutOfMemoryError 异常。

5.1.1 运行时常量池异常示例程序

import java.util.HashSet;import java.util.Set;/** * VM Args: -Xmx2m * 因为JDK8已经把原本放在永久代的字符串常量池移到了 Java堆 中， * 所以限制了堆大小之后，会模拟出来堆内存溢出异常 */public class RuntimeConstantPoolOOM {    public static void main(String[] args) {        Set set = new HashSet();short i = 0;while (true) {            set.add(String.valueOf(i++).intern());        }    }}

6. 直接内存(Direct Memory)

如果查《Java虚拟机规范》，并不能够找到这部分内容，也就是说它并不是虚拟机的一部分，但是这部分内容经常被使用到，举个例子：JDK1.4之后出现的NIO(New Input/Output)，记起来了吧？?这个基于缓冲区(Buffer)和通道(Channel)的I/O模型。使用本地函数直接分配堆外内存，然后通过 DirectByteBuffer 对象作为申请到的堆外内存引用，可以省去在Java堆和本地内存中来回复制数据。

很明显，既然不属于Java虚拟机的范畴，自然也就不会被Java虚拟机大小所限制，不过，仍然要受到本机内存的限制。当内存申请失败时，会抛出 OutOfMemoryError 异常。

6.1 直接内存异常示例程序

import sun.misc.Unsafe;import java.lang.reflect.Field;/** * VM Args: -Xmx20m -XX:MaxDirectMemorySize=10m * -XX:MaxDirectMemorySize  设置最大直接内存，默认是和Java堆保持一致 */public class DirectMemoryOOM {    private static final int _1MB = 1024 * 1024;    public static void main(String[] args) throws IllegalAccessException {        Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];        unsafeField.setAccessible(true);        Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);        while (true) {            unsafe.allocateMemory(_1MB);        }    }}

好了，图里面出现的各个区域所能出现的问题，已经差不多都遇到了(这种主动犯错的机会可不多?)，也该休息休息然后去复习考试了呜呜呜呜呜?……