理解JAVA虚拟机（一）内存区域

  本系列是周志明老师《深入理解Java虚拟机》第三版的学习笔记。

  Java应用运行时内存交给Java虚拟机自动管理，但出现内存泄漏和溢出问题时，如果不了解虚拟机是怎样使用内存的，那排查错误、修正问题将会成为一项异常艰难的工作。

  下面从概念上介绍Java虚拟机内存的各个区域，讲解这些区域的作用、服务对象以及可能产生的问题，这也是学习内存管理的第一步。

  Java虚拟机内存区域图示：

一、 程序计数器

  多线程是通过线程轮流切换，分配处理器执行时间的方式来实现。为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器。

• 属于线程私有的内存区域。

• Java虚拟机唯一不会产生OutOfMemoryError异常的区域。

二、Java虚拟机栈

  每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。

• 属于线程私有的内存区域。

• 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。

• 如果申请内存时失败，抛出OutOfMemoryError异常。

• 如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。（HotSpot的虚拟机栈不能动态扩展）。

三、本地方法栈

  与虚拟机栈的作用类似，区别：虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务。本地方法栈则为虚拟机使用到的本地（native）方法服务。

• 属于线程私有的内存区域。

• 《Java虚拟机规范》未对本地方法栈中使用的语言、使用方式与数据结构未做任何强制规定。HotSpot虚拟机直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

• 本地方法栈抛出的异常与虚拟机栈一致。

四、Java堆

  Java堆（Java Heap）是在虚拟机启动时创建，此内存区域的唯一目的就是存放对象实例。

• 所有线程共享的一块内存区域。

• 基于分代设计的垃圾收集器，会将堆内存分为新生代、老年代、永生代等等。

• Java堆可扩展，通过参数-Xmx和-Xms设定。

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

五、方法区

  方法区（Method Area）用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。

• 与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域。

• JDK8中，方法区放弃永久代的概念实现，用本地内存中实现的元空间（Metaspace）来代替。

• 方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

六、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、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表（Constant Pool Table）,用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

• 动态性，并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可以将新的常量放入池中，比如String类的intern()方法。

• 受方法区内存的限制，无法申请到内存时抛出OutOfMemoryError异常。

七、直接内存

  直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是《Java虚拟机规范》中 定义的内存区域。但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现，所以我们放到这里一起讲解。

• JDK1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道与缓冲区的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堆里面的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。

• 本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但受到本机总内存限制，设置-Xmx等参数信息时，容易忽略掉直接内存，使得出现OutOfMemoryError异常。