Java虚拟机（JVM）-1-内存区域

JVM内存区域概念

程序计数器（Program Counter Register）

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）

本地方法栈（Native Method Stacks）

Java堆（Java Heap）

方法区（Method Area）

运行时常量池（Runtime Constant Pool）

直接内存（Direct Memory）

JVM内存区域概念

对于Java程序员来说，不用担负着每一对象从创建到销毁的维护任务，这个任务由Java虚拟机（JVM）的动态内存分配和垃圾收集技术来实现。

虽然JVM会自动对内存进行管理，但是一旦出现内存泄露和内存溢出的问题，如果不了解JVM是如何管理内存的，那排查错误、修正问题将会是一项困难的工作。

JVM在执行Java程序时，会把它所管理的内存划分为多个不同的数据区域，这些数据区域也称为运行时数据区域。

如图：

程序计数器（Program Counter Register）

程序计数器是一块较小的内存空间，可以看成是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

在任何一个时刻，一个处理器只会执行一条线程中的指令，因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都有一个独立的程序计数器，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

如果线程正在执行的是一个Java方法，那计数器记录的是正在执行的字节码指令的地址；如果正在执行的本地（Native）方法，那么计数器的值为空（Undefined）。

该区域不会出现OutOfMemoryError异常。

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）

Java虚拟机栈也是“线程私有”的，也就是每个线程都有一个独立的虚拟机栈内存，它的生命周期和线程相同。

线程执行一个方法的时候，JVM会在当前线程的虚拟机栈中同步创建一个栈帧（Stack Frame），用于存放局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

栈帧中的局部变量表，存放了编译期间可知的各种Java基本数据类型、对象引用和returnAddress类型。因此，当进入一个方法时，该方法在栈帧中需要分配多大的局部变量空间是完全确定的。

该区域会出现两种异常情况：

1）如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常。

2）如果Java虚拟机栈可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈（Native Method Stacks）

本地方法栈和虚拟机栈的作用很类似，区别的是，虚拟机栈执行的是Java方法服务，而本地方法栈是JVM使用到的本地（Native）方法服务。

本地方法栈也会在栈深度溢出或栈扩展失败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆（Java Heap）

Java堆是JVM所管理的内存中最大的一块，而且它是被所有线程共享的一块内存区域。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都在这里分配内存。

如果从分配内存的角度看，所有线程共享的Java堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thead Local Allocation Buffer，TLAB），以提升对象分配时的效率。

Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但在逻辑上它应该被视为连续的。但对于大对象（如数组对象），多数虚拟机为了实现简单和存储高效，很可能会要求连续的内存空间。

Java堆的大小可以是固定的，也可以是可扩展的，当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的，可以通过参数 -Xmx 和 -Xms 来设定。

如果Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法扩展时，JVM会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区（Method Area）

方法区也是各个线程共享的内存区域，它用于存储被虚拟机加载的类型信息（Class对象）、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。方法区的另一个别名叫作“非堆”（Non-Heap）。

在JDK8之前，人们习惯把方法区叫作“永久代”（Permanent Generation），因为当时使用了永久代的方式实现了方法区。到了JDK8，完全废弃了永久代的概念，取代之的是“元空间”（Meta-space）和“字符串常量池”，把元空间移到了本地内存，把字符串产量池移到了Java堆中。

该区域的内存回收的目标主要是常量池的回收和对类型（Class对象）的卸载，一般来说这个区域的内存回收效率较低，尤其的类型的卸载，条件比较苛刻。

如果方法区无法满足新的内存分配时将抛出OutOfMemoryError异常。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）

运行时常量池是方法区的一部分，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，一般来说，JVM还会把符号引用翻译出来的直接引用也存储到运行时常量池中。

Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，运行期间也可以将新的常量放入池中，如String类的intern()方法。

运行时常量池的内存受方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError 异常。

直接内存（Direct Memory）

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分。从JDK1.4开始，新加入了NIO类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（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DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据，如零拷贝技术。

直接内存受到本机直接内存的影响，从而导致动态扩展时出现 OutOfMemoryError 异常。