聊聊jvm的内存结构, 以及各种结构的作用

前言

在JVM的管控下，Java程序员不再需要管理内存的分配与释放，这和在C和C++的世界是完全不一样的。所以，在JVM的帮助下，Java程序员很少会关注内存泄露和内存溢出的问题。但是，一旦JVM发生这些情况的时候，如果你不清楚JVM内存的内存管理机制是很难定位与解决问题的。

JVM原理

（1）jvm是java的核心和基础，在java编译器和os平台之间的虚拟处理器，可在上面执行字节码程序。
（2）java编译器只要面向jvm，生成jvm能理解的字节码文件。java源文件经编译成字节码程序，通过jvm将每条指令翻译成不同的机器码，通过特定平台运行。

JVM的生命周期

JVM实例对应了一个独立运行的java程序它是进程级别

(1) 启动。启动一个Java程序时，一个JVM实例就产生了，任何一个拥有public static void
main(String[] args)函数的class都可以作为JVM实例运行的起点

(2) 运行。main()作为该程序初始线程的起点，任何其他线程均由该线程启动。JVM内部有两种线程：守护线程和非守护线程，main()属于非守护线程，守护线程通常由JVM自己使用，java程序也可以表明自己创建的线程是守护线程

(3) 消亡。当程序中的所有非守护线程都终止时，JVM才退出；若安全管理器允许，程序也可以使用Runtime类或者System.exit()来退出

JVM执行引擎实例则对应了属于用户运行程序的线程它是线程级别的

JVM 内存区域

Java虚拟机在运行时，会把内存空间分为若干个区域，根据《Java虚拟机规范（Java SE 7 版）》的规定，Java虚拟机所管理的内存区域分为如下部分：方法区、堆内存、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。

1、方法区

方法区主要用于存储虚拟机加载的类信息、常量、静态变量，以及编译器编译后的代码等数据。在jdk1.7及其之前，方法区是堆的一个“逻辑部分”（一片连续的堆空间），但为了与堆做区分，方法区还有个名字叫“非堆”，也有人用“永久代”（HotSpot对方法区的实现方法）来表示方法区。

从jdk1.7已经开始准备“去永久代”的规划，jdk1.7的HotSpot中，已经把原本放在方法区中的静态变量、字符串常量池等移到堆内存中，（常量池除字符串常量池还有class常量池等），这里只是把字符串常量池移到堆内存中；在jdk1.8中，方法区已经不存在，原方法区中存储的类信息、编译后的代码数据等已经移动到了元空间（MetaSpace）中，元空间并没有处于堆内存上，而是直接占用的本地内存（NativeMemory）。根据网上的资料结合自己的理解对jdk1.3~1.6、jdk1.7、jdk1.8中方法区的变迁画了张图如下（如有不合理的地方希望读者指出）：

去永久代的原因有：

（1）字符串存在永久代中，容易出现性能问题和内存溢出。

（2）类及方法的信息等比较难确定其大小，因此对于永久代的大小指定比较困难，太小容易出现永久代溢出，太大则容易导致老年代溢出。

（3）永久代会为 GC 带来不必要的复杂度，并且回收效率偏低。

2、程序计数器(PC寄存器)

由于在JVM中，多线程是通过线程轮流切换来获得CPU执行时间的，因此，在任一具体时刻，一个CPU的内核只会执行一条线程中的指令，

因此，为了能够使得每个线程都在线程切换后能够恢复在切　换　之前的程序执行位置，每个线程都需要有自己独立的程序计数器，并且不能互相被干扰，

否则就会影响到程序的正常执行次序。因此，可以这么说，程序计数器是每个线程所私有的。由于程序计数器中存储的数据所占空间的大小不会随程序的执行而发生改变，

因此，对于程序计数器是不会发生内存溢出现象(OutOfMemory)的。

3、java栈

Java栈中存放的是一个个的栈帧，每个栈帧对应一个被调用的方法，在栈帧中包括局部变量表(Local Variables)、操作数栈(Operand Stack)、

指向当前方法所属的类的运行时常量池的引用(Reference to runtime constant pool)、

方法返回地址(Return Address)和一些额外的附加信息。当线程执行一个方法时，就会随之创建一个对应的栈帧，并将建立的栈帧压栈。当方法执行完毕之后，便会将栈帧出栈。

4、堆内存

堆内存主要用于存放对象和数组，它是JVM管理的内存中最大的一块区域，堆内存和方法区都被所有线程共享，在虚拟机启动时创建。在垃圾收集的层面上来看，由于现在收集器基本上都采用分代收集算法，因此堆还可以分为新生代（YoungGeneration）和老年代（OldGeneration），新生代还可以分为 Eden、From Survivor、To Survivor。

5、本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈的区别是，虚拟机栈执行的是 Java 方法，本地方法栈执行的是本地方法（Native Method）,其他基本上一致，在 HotSpot 中直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一，这里暂时不做过多叙述。

6、元空间

上面说到，jdk1.8 中，已经不存在永久代（方法区），替代它的一块空间叫做 “ 元空间 ”，和永久代类似，都是 JVM 规范对方法区的实现，但是元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存，元空间的大小仅受本地内存限制，但可以通过 -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize 来指定元空间的大小。

JVM内存溢出的情况

(1) 程序计数器（Program Counter Register）

每条线程都有一个独立的的程序计数器，各线程间的计数器互不影响，因此该区域是线程私有的。该内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OOM（内存溢出：OutOfMemoryError）情况的区域。

(2) Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常情况：

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、如果虚拟机在动态扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出OutOfMemoryError异常。

(这两种情况存在着一些互相重叠的地方：当栈空间无法继续分配时，到底是内存太小，还是已使用的栈空间太大，其本质上只是对同一件事情的两种描述而已. )

在单线程的操作中，无论是由于栈帧太大，还是虚拟机栈空间太小，当栈空间无法分配时，虚拟机抛出的都是StackOverflowError异常，而不会得到OutOfMemoryError异常。

而在多线程环境下，则会抛出OutOfMemoryError异常。

(3)堆Java Heap

Java Heap是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块，它是所有线程共享的一块内存区域。几乎所有的对象实例和数组都在这类分配内存。Java Heap是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称为“GC堆”。

根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处在物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可。如果在堆中没有内存可分配时，并且堆也无法扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

(4)方法区域，又被称为“永久代”，

当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

参考文章: JVM内存模型（通俗易懂）_抵制平庸拥抱变化的博客-CSDN博客_jvm内存模型

JVM 内存区域总结：方法区+堆内存+本地方法栈+元空间——JVM系列（一）_毛发旺盛的程序员的博客-CSDN博客_本地方法栈