Java内存模型

Java内存模型

Java虚拟机管理的内存区域有如下几块：

 

·程序计数器

程序计数器是当前线程所执行的字节码行号指示器。在虚拟机的概念模型中，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，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基本功能都是依赖这个程序计数器完成。

每个线程都有一个独立的程序计数器，各个线程之间的计数器互不影响，独立存储。程序计数器属于线程私有的内存。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异常的区域。

·Java虚拟机栈

虚拟机栈是描述Java方法执行的没存模型。每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方发出口等信息。每个方法的执行从调用直到执行完成的过程，就对应一个栈帧在虚拟机中从入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译器可知的各种基本类型、对象引用和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)。

Java中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量表空间（Slot），其余的数据类型只占用1个空间。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

Java虚拟机规范中，虚拟机栈这个区域规定了两种异常。如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将会抛出Stack OverflowError异常。如果虚拟机栈可以动态扩展，如果扩展时申请不到足够的内存，将会抛出OutOfMemoryError异常。

·本地方法栈

本地方法栈是为虚拟机使用到的Native方法服务的。与虚拟机栈一样，该区域也会抛出Stack OverflowError和OutOfMemoryError异常。

·Java堆

Java堆是所以线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动的时候创建。此内存区域的主要用途就是存放对象实例，几乎所有对象实例都在这里分配内存。虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例和数组都要在堆上分配，但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化，所有对象都在堆上分配也变得不是那么绝对了。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”。从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。从内存分配的角度来看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区。

根据Java虚拟机规范的规定， Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中， 只要逻辑上是连续的即可， 就像我们的磁盘空间一样。 在实现时， 既可以实现成固定大小的， 也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。 如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

·方法区

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它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。

对于习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序的开发者来说，很多人都更愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一样管理这部分内存，能够省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。对于其他虚拟机（如BEA JRockit、 IBM J9等）来说是不存在永久代的概念的。

根据Java虚拟机规范的规定， 当方法区无法满足内存分配需求时， 将抛出OutOfMemoryError异常。

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，还有一项信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性， Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生， 也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern（）方法。

既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

·直接内存

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。

在JDK 1.4中新加入了NIO（New Input/Output）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，然后通过一个存储在Java堆中的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，但是，既然是内存，肯定还是会受到本机总内存（包括RAM以及SWAP区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常忽略直接内存，使得各个内存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），从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。