JVM 简介

Java虚拟机（JVM）的内存模型定义了Java程序在运行时如何使用内存。它主要分为以下几个部分：

1. 程序计数器（Program Counter Register）：

   • 每个线程都有一个程序计数器，用于指示当前正在执行的指令的地址或索引。在多线程环境下，每个线程都有自己的程序计数器，互不干扰。

2. Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）：

   • 每个线程都有一个虚拟机栈，用于存储局部变量、方法参数、方法返回值以及部分运算结果。每个方法调用都会创建一个栈帧，栈帧包含了方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址等信息。

3. 本地方法栈（Native Method Stack）：

   • 与虚拟机栈类似，但是用于执行本地（Native）方法。

4. Java堆（Java Heap）：

   • Java堆是Java虚拟机中最大的一块内存区域，用于存储对象实例和数组。在堆中分配的对象可以由垃圾回收器进行管理，通过自动内存管理机制实现内存的分配和释放。

5. 方法区（Method Area）：

   • 方法区用于存储类的结构信息、静态变量、常量、方法字节码等数据。在HotSpot虚拟机中，方法区被称为“永久代”，但在Java 8之后被替换为“元空间（Metaspace）”。

6. 运行时常量池（Runtime Constant Pool）：

   • 运行时常量池是方法区的一部分，用于存储编译期生成的字面量和符号引用。在运行时，这些常量池会被加载到方法区中。

7. 直接内存（Direct Memory）：

   • 直接内存并不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，但是在Java NIO中被广泛使用。直接内存通常是通过Native方法分配的，它可以在Java堆之外进行直接分配和释放内存，提高I/O操作的效率。

1、程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是Java虚拟机中的一块内存区域，用于指示当前线程执行的字节码指令地址。在Java虚拟机中，每个线程都有自己的程序计数器。

主要作用包括：

1. 线程私有：程序计数器是线程私有的，每个线程都有自己的程序计数器。这样可以保证在多线程环境中，每个线程都能独立地执行字节码指令。

2. 线程切换时保存状态：当线程切换时，程序计数器会保存当前线程的执行状态，以便后续线程恢复执行时能够继续执行正确的字节码指令。

3. 指令地址记录：程序计数器中保存了当前线程正在执行的字节码指令的地址，也就是下一条将要执行的指令的位置。

4. 支持线程恢复执行：程序计数器的值可以被JVM用来支持线程恢复执行。当一个线程被挂起或者等待唤醒时，JVM可以根据程序计数器的值来确定下一条要执行的指令，从而在线程重新执行时继续执行正确的指令。

5. 线程执行控制：程序计数器可以用于控制线程的执行流程，例如循环、分支、跳转等控制结构。

需要注意的是，程序计数器是Java虚拟机中唯一一个在多线程环境下不会出现内存溢出（OutOfMemoryError）的区域，因为它是线程私有的，每个线程都有自己独立的程序计数器。

2、Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）是Java虚拟机中的一块内存区域，用于存储线程的方法调用栈帧（Stack Frame）。每个线程在执行Java方法时都会创建一个对应的栈帧，栈帧包含了方法的局部变量、操作数栈、动态链接、方法返回地址等信息。

主要作用包括：

1. 方法调用：Java虚拟机栈用于存储方法调用的信息。每当一个方法被调用时，就会创建一个新的栈帧，并将其压入栈顶。当方法执行完毕后，栈帧会被弹出，控制权会返回给调用该方法的地方。

2. 局部变量：栈帧中包含了方法的局部变量表，用于存储方法的参数和局部变量。局部变量表中的数据只在方法的执行期间有效，方法执行完毕后就会被销毁。

3. 操作数栈：栈帧中还包含了一个操作数栈，用于存储方法执行过程中的临时数据和计算结果。操作数栈是一个后进先出（LIFO）的数据结构，用于支持方法中的运算操作。

4. 方法返回：栈帧中还包含了方法的返回地址，用于在方法执行完毕后返回到方法调用的地方。当方法执行完成时，栈帧会被弹出，并将控制权返回给调用该方法的地方。

5. 异常处理：Java虚拟机栈也用于异常处理。当方法执行过程中发生异常时，栈帧中会包含异常处理器的信息，用于查找并执行适当的异常处理代码。

需要注意的是，Java虚拟机栈的大小是固定的，并且在虚拟机启动时就会被分配好。如果栈空间不足，将会抛出StackOverflowError；如果栈无法扩展，将会抛出OutOfMemoryError。

3、本地方法栈（Native Method Stack）

本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈类似，但是用于执行本地方法（Native Method）时使用。在Java程序中，本地方法是用本地语言（如C或C++）编写的方法，它们通过Java本地接口（JNI）与Java程序进行交互。

主要作用包括：

1. 本地方法调用：本地方法栈用于存储本地方法的调用信息。当Java程序调用本地方法时，会创建一个新的栈帧，并将其压入本地方法栈顶。当本地方法执行完毕后，栈帧会被弹出，控制权会返回给Java程序。

2. 本地方法参数：本地方法栈中包含了本地方法的参数和局部变量。与虚拟机栈类似，本地方法栈也包含了一个局部变量表，用于存储方法的参数和局部变量。

3. 本地方法返回：本地方法栈中也包含了本地方法的返回地址，用于在方法执行完毕后返回到Java程序调用的地方。

需要注意的是，本地方法栈与虚拟机栈是相互独立的，它们分别用于执行Java方法和本地方法。本地方法栈的大小也是固定的，并且在虚拟机启动时就会被分配好。如果本地方法栈空间不足，将会抛出StackOverflowError；如果本地方法栈无法扩展，将会抛出OutOfMemoryError。

4、Java堆（Java Heap）

Java堆（Java Heap）是Java虚拟机中最大的一块内存区域，用于存储对象实例和数组。在Java程序中，几乎所有的对象都会被分配在堆上。

主要特点包括：

1. 对象存储：Java堆用于存储Java程序中创建的对象实例。当使用关键字new创建对象时，对象的内存空间就会被分配在堆上。

2. 动态分配：Java堆是动态分配的，可以根据程序的需要动态地分配和回收内存空间。当创建对象时，Java堆会动态分配一块内存空间来存储对象；当对象不再被引用时，Java堆会自动回收这些内存空间，以便下次分配给新的对象。

3. 堆内存管理：Java堆的内存管理由Java虚拟机的垃圾回收器（Garbage Collector）来负责。垃圾回收器会定期扫描堆内存中的对象，找出不再被引用的对象，并将其回收释放，以便下次分配给新的对象。

4. 堆大小限制：Java堆的大小可以通过启动参数来配置。如果堆空间不足，将会抛出OutOfMemoryError异常。

5. 分代结构：Java堆通常被划分为新生代（Young Generation）、老年代（Old Generation）和永久代（PermGen）等不同的区域，不同区域的对象分配和回收策略不同。Java 8后永久代被元空间（Metaspace）取代。

Java堆的大小对程序的性能和内存使用有很大影响，合理配置堆大小可以提高程序的性能和稳定性。

5、方法区（Method Area）

方法区（Method Area）是Java虚拟机中的一块内存区域，用于存储类的结构信息、静态变量、常量、方法字节码等数据。在HotSpot虚拟机中，方法区被称为“永久代（PermGen）”，但在Java 8之后被替换为“元空间（Metaspace）”。

主要特点包括：

1. 类信息存储：方法区用于存储类的结构信息，包括类的成员变量、方法、构造器等信息。每个类在内存中都会有一个对应的Class对象，Class对象包含了类的结构信息。

2. 静态变量：方法区用于存储类的静态变量，静态变量在类加载时就会被分配内存空间，并且在整个程序的生命周期内都存在。

3. 常量池：方法区还包含了类的常量池，用于存储编译期生成的字面量和符号引用。常量池中的数据在类加载时就会被加载到方法区中，并且可以被整个程序访问。

4. 方法字节码：方法区还用于存储方法的字节码，即编译后的机器码。当程序调用一个方法时，虚拟机会在方法区中找到对应的字节码并执行。

5. 永久代与元空间：在Java 8之前，方法区被实现为永久代（PermGen），但是永久代有一些限制和问题，比如内存泄漏和性能问题。因此，在Java 8中，永久代被元空间（Metaspace）取代。元空间使用本地内存来存储类的元数据，可以根据需要动态分配和释放内存，避免了永久代的一些问题。

方法区的大小可以通过启动参数来配置，如果方法区空间不足，将会抛出OutOfMemoryError异常。需要注意的是，在Java 8及更高版本中，由于永久代被元空间取代，因此调整方法区大小的方式和参数也会有所不同。

6、运行时常量池（Runtime Constant Pool）

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，用于存储编译期生成的字面量和符号引用，以及一些运行期间生成的常量。

主要特点包括：

1. 存储常量：运行时常量池用于存储类文件中的常量，包括字符串常量、基本数据类型常量、类和接口的全限定名、字段和方法的符号引用等。

2. 动态生成：除了编译期生成的常量外，运行时常量池还可以在运行时动态生成一些常量。比如，通过调用String类的intern()方法可以在运行时将字符串常量添加到常量池中。

3. 共享常量池：运行时常量池是类加载时从.class文件中加载到方法区的一部分数据，每个类都有自己的运行时常量池。在虚拟机中，常量池是共享的，即一个类的常量池中的常量可以被其他类访问和共享。

4. 字符串常量池：字符串常量池是运行时常量池中的一部分，用于存储字符串常量。Java中的字符串常量池是特殊的，当使用字符串字面量（如"abc"）创建字符串对象时，如果常量池中已经存在相同的字符串常量，则会直接引用已有的常量；如果常量池中不存在相同的字符串常量，则会创建一个新的字符串常量并添加到常量池中。

5. 动态性：运行时常量池具有一定的动态性，可以在运行时动态地向其中添加常量。这使得一些特定的场景下可以实现动态生成常量的功能。

运行时常量池是方法区的一部分，因此它的大小受到方法区大小的限制。如果运行时常量池空间不足，将会抛出OutOfMemoryError异常。

7、直接内存（Direct Memory）

直接内存（Direct Memory）是Java虚拟机中的一种特殊内存，它并不是Java堆中的一部分，而是在堆外直接分配的内存。直接内存的分配和释放不受Java堆大小的限制，通常通过本地方法（Native Method）来分配和释放。

主要特点包括：

1. 使用ByteBuffer分配：在Java中，直接内存通常是通过ByteBuffer类的allocateDirect()方法来分配的。这个方法会在堆外直接分配一块内存空间，并返回一个ByteBuffer对象来操作这块内存。

2. 底层操作系统内存：直接内存的分配和释放通常是通过本地方法（Native Method）来操作底层操作系统的内存，而不是通过Java虚拟机的内存管理机制来操作。这样可以避免了Java堆中的垃圾回收机制对直接内存的影响。

3. 提高I/O效率：直接内存通常用于高性能的I/O操作，比如NIO中的通道（Channel）和缓冲区（Buffer）。通过直接内存，可以避免了Java堆和本地操作系统之间的数据复制，提高了I/O操作的效率。

4. 非受管理内存：直接内存是非受管理的，即Java虚拟机不会对直接内存进行垃圾回收。因此，需要手动释放直接内存以防止内存泄漏。

需要注意的是，直接内存虽然提高了一些特定场景下的性能，但是它的分配和释放通常比Java堆中的内存更加昂贵。因此，只有在需要高性能的I/O操作时才建议使用直接内存。