JVM内存模型

1.运行时数据区域

  根据《Java虚拟机规范》规定，java虚拟机所管理的内存将会包含以下几个运行时数据区域。

1.1程序计数器 Program Counter Register

  程序计数器是一个比较小的内存空间，可以看做是当前线程所执行的代码的行号指示器。在虚拟机改建模型里，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、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖程序计数器来完成。

  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，在任何一个确定的时刻，一个处理器都只会执行一个线程中的指令。因此，为了线程切换后恢复能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要一个独立的程序计数器，各线程间计数器互不影响，独立存储，这样的内存区域为“线程私有”的内存。

  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地址；如果正在执行的是Native方法，这个计数器为空（Undefined）。因此此区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

1.2 Java虚拟机栈 Java Virtual Machine Stacks

  Java虚拟机栈也是线程私有的，他与线程的生命周期相同。Java虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法从调用直至执行完成的过程，就对应一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

  局部变量表存放编译器可知的各种基本类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、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，也可能是指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和returnAddress（指向一条字节码指令的地址）。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，这个方法在帧中分配的内存空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的内存大小。

  在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况，①如果线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；②如果虚拟机栈可以动态扩展，若果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

1.3 本地方法栈 Native Method Stack

  本地方法栈类似于虚拟机栈，只不过虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方法与数据结构没有强制的规定，因此具体虚拟机可以自由实现它。与虚拟机栈类似，本地方法栈也会抛出StackOverflowError异常和OutOfMemoryError异常。

1.4 Java堆 Heap

  对于大多数应用来说，Java堆是Java虚拟机管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块区域，在虚拟机启动时创建。此区域的目的就是存放对象实例，几乎所有的Java实例都会在这里分配内存 。Java虚拟机规范的描述是：所有的对象和数组都要在堆上分配。

  Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所有Java堆还可以细分为：新生代和老生代；从内存分配角度来看，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，进一步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堆可以处于物理上不连续的内存空间中，在实现时，既可以是固定大小的，也可以是扩展的。如果在堆中没有内存完成实例的分配，并且堆也无法扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

1.5 Java方法区 Method Area

  Java方法区也是被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。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆得一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。

  Java虚拟机规范对于方法区的限制非常宽松，除了和Java堆一样可以使用不需要连续的内存空间和可以固定大小或者扩展之外，还可以选择不实现垃圾收集。但该区域的内存回收目标主要针对常量池的回收和对类型的卸载。当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

1.6 运行时常量池 Runtime Constant Pool

  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、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的引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的常量池存放。

  Java虚拟机规范对Class文件的每一部分（包括常量池）的格式有严格的规定，每一个字节用于存储哪种数据必须符合虚拟机规范才会被虚拟机认可、装载和执行，但是对于运行时常量池，虚拟机规范并没有做任何细节要求，一般来说，除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存放在常量池中。

1.7 直接内存 Directory Memory

  直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是虚拟机规范定义的区域。但是这部分内存也被频繁的使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常。

  在JDK1.4中新增了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）的IO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对象作为这一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，因为避免类在Java堆和Native堆中来回复制数据。

  本机直接内存的分配不会受Java堆大小的限制，但受到本机总内存及处理器寻址空间的限制。动态扩展时可能抛出OutOfMemoryError异常。