【学习笔记】Java虚拟机（二）内存区域与内存溢出

运行时数据区域

根据《Java虚拟机贵发（Java SE 7版本）》的规定，Java虚拟机所管理的内存包含以下几个运行时

数据区域。借图：

1、程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存，可以看作是当前线程所执行的字节码

的行号指示器。字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指

令，分之、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。为了多线程每次切

换后能够恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立存储的程序计数器，这种存储使用的内

存叫做“线程私有”内存。当线程执行Java方法时，计数器记录的就是正在执行的虚拟机字节码指令地

址，如果执行的是Native方法，计数器值为空（Undefined）。

此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

2、Java虚拟机栈

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有内存，生命周期与线程相同。每个方法

执行时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等

信息，每个方法从调用到执行完毕的过程，都对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。其中

局部变量表中存放了编译器可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、

long、double）、对象引用（reference类型，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针或者是指

向一个代表对象的句柄）和returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）。其中64位长度的

long和double类型数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的占用一个。局部变量所需的内存在

编译期间完成分配，进入方法时所需的局部变量空间是完全确定的，运行期间不会改变。

Java虚拟机规范中对这个区域规定了两种异常状况：

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

② 如果虚拟机栈可动态扩展，在拓展时如果无法申请到足够的内存，抛出OutOfMemoryError

异常

3、本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stack）与Java虚拟机栈的区别是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务

，本地方法栈为虚拟机执行Native方法服务。所以有的虚拟机（如Sun HotSpot虚拟机）将本地方法

栈和虚拟机栈合二为一。

本地方法栈与虚拟机栈所抛出的异常一致。

4、Java堆

一般来说Java堆（Java Heap）是Java虚拟机管理的内存中最大的一块，它是被所有线程共享的区域

，在虚拟机启动时创建，唯一作用就是存放对象的实例以及数组。因为它是垃圾收集器主要管理的区

域，所以也叫GC堆（Garbage Collected Heap）。可以细分为新生代和老年代；再细致一点的有

Eden、From Survivor、To Survivor空间等，还可以划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread

Local Allocation Buffer，TLAB）。Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，可以固定大小，

也可以是可拓展的（通过-Xmx和-Xms控制）。

如果在堆中没有内存可以使用，并且也无法拓展，抛出OutOfMemoryError异常。

5、方法区

方法区（Method Area）别名Non-Heap（非堆）也是共享内存区域，用于存储已被虚拟机加载的类

信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。HotSpot早期使用“永久代”（Permanent

Generation）来实现方法区，好处是可以用垃圾收集器来一起管理方法区，但坏处是容易遇到内存溢

出的问题（永久代有-XX：MaxPermSize的内存上限设置），而且有极少的方法（如String.intern

（））会因此导致不同虚拟机下有不同的结果，所以HotSpot也打算逐步使用Native Memory来实现

方法区，在JDK1.7中已经将永久代中的字符串常量池移出。方法区和Java堆一样可以处于物理上不连

续的内存空间中，可以固定大小也可以是可拓展的，并且可以不实现垃圾回收。但实际上垃圾回收还

是有必要的，针对方法区的回收主要是常量池回收和类的卸载。

如果在方法区中没有内存可以使用，并且也无法拓展，抛出OutOfMemoryError异常。

6、运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，Class文件中除了有类的版本、字段

、方法、接口等描述信息外，还有一项信息就是常量池（Runtime Pool Table），用于存放编译期生

成的各种字面量和符号引用，这部分信息将在类加载后进入方法区的运行时常量池。一般来说除了保

存Class文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在这个区域。Java语言不要求

常量只在预置入Class文件中常量池的时候才能进入运行时常量池，运行期间也可以动态放入（如

String.intern（））。

运行时常量池属于方法区，抛出异常的规则也与方法区一致。

7、直接内存

直接内存（Direct Memory）不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java规范中定义的内存区域

。在JDK1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了基于通道（Channel）与缓冲区

（Buffer）的I/O方式，可以使用Native函数直接分配堆外内存，然后通过存储在Java堆中的

DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作，避免了Java堆和Native堆来回复制数据的操作

。本机直接内存不受Java堆大小的限制，但会受到本机总内存（包括RAM和SWAP区或者分页大小）

大小以及处理器寻址空间的限制。

各个区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制）从而导致动态扩展失败时抛出

OutOfMemoryError异常。

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