Java JVM内存区域

前言

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域，根据《Java虚拟机规范》的规定，Java虚拟机所管理的内存将包括以下几个运行时数据区域。

Java虚拟机运行时数据区

1丶程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里，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，分支丶循环丶跳转丶异常处理丶线程恢复等基础功能都需要依赖计数器来完成。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何时刻，一个处理器都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，每条线程都需要有一个独立地程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立储存，所以这块内存区域是线程私有的。

如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Native方法，这个计数器的值则为空。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丶Java虚拟机栈

和程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。它描述的是Java方法执行的内存模型：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丶操作数栈丶动态链接丶方法出口等信息。每个方法从调用到执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译器可知的各种基本数据类型丶对象引用（reference类型）和returnAddress类型

其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1个。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，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

该区域规定了两种异常状况：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；如果虚拟机栈可以动态扩展，如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

3丶本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机执行使用到的Native方法服务，和虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

4丶Java堆

Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是线程共享的内存区域，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，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都是采用分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致点有Eden（伊甸园）空间丶From Survivor空间丶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，无论怎么划分，存储的都是对象实例，划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快的分配内存。

Java虚拟机规范的规定中，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。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆无法在扩展时，就会抛出OutOfMemoryError异常。

5丶方法区

方法去与Java堆一样，是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丶常量丶静态变量丶即时编译器后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。

由于早期HotSpot JVM的把GC分代收集扩展至方法区，因此很多人将方法去称为“永久代”。在JDK1.8中废弃永久代替换成元空间。

Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在。这区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，虽然回收的成绩难以令人满意，类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实的必要的。

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

6丶运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本丶字段丶方法丶接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，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。

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。（如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，当常量池无法在申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

7丶直接内存

直接内存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使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常。

在JDK 1.4中新加入了NIO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。这样能在一些场景显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

显然，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的限制。。在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数，如果忽略直接内存的话，使得各个内存区域总和大于物理内存限制，从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。