深入理解Java虚拟机之一运行时数据区域

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，这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有些区域随着虚拟机启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而创建和销毁。

1、程序计数器

程序计数器，是一块较小的内存区域，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

模型中，字节码解释器工作时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、线程恢复等都需要依赖这个计数器来完成。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并获取处理器的执行时间的方式来实现的，任何一个确定的时刻，

一个处理器都只能执行一条线程的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都有各自的计数

器，各个线程之间的程序计数器互补影响，独立存储，我们称之为这块内存是“线程私有”的内存。

此块内存是唯一一个在Java规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

2、Java虚拟机栈

与程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程一样。虚拟机栈描述的是Java方法执行

的内存模型：每个方法在执行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中入栈到出栈的过程。

局部变量表存放的是编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、double、long）

、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针）和returnAddress类

型（指向了一个字节码指令的地址）。

这块区域规定了两种异常状况：所请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，抛出StackOverflowError异常；如果

虚拟机栈可以动态扩展，扩展所需的内存不足，会抛出OutOfMemoryError异常。

3、本地方法栈

本地方法栈与Java虚拟机栈很类似，区别在于Java虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈为虚拟机

使用到的native方法服务。有些虚拟机把两者合二为一，如HotSpot VM。

与Java虚拟机一样，本地方法栈也有StackOverflowError与OutOfMemoryError异常。

4、Java堆

Java堆是Java虚拟机所管理的最大的一块内存。Java堆是所有线程共享的一块区域，在虚拟机启动时创建。此

内存的唯一目的就是存放对象实例。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称之为“GC堆”。从内存回收的角度来看，由于现在的

收集器基本都是采用分代收集算法，所以Java堆可以细分为：新生代、老年代。

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上，只要逻辑上是连续的即可。如果堆中

没有内存实现对象实例化，会报OutOfMemoryError异常。

5、方法区

方法区域Java堆一样，也是线程共享的内存区域，用于存放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。

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，会报OutOfMemoryError异常。

6、运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分，Class文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是

常量池，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。

运行时常量池属于方法区，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。

7、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

地使用，也可能导致OutOfMemoryError异常出现。

例如：jdk1.4中新加入NIO类，引入了一种基于通道（Channel）和缓冲区（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。这样就

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。