深入理解java虚拟机（一）-Java内存区域划分

本文基于周志明的《深入理解java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践》所写。特此推荐。

根据《Java虚拟机规范（Java SE 7版）》的规定，JVM所管理的内存会被划分成一下几个运行时数据区：

Java内存区域

程序计数器（线程私有）

• 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，字节码解释器在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这个计数器来完成。

Java虚拟机栈（线程私有）

• 为虚拟机执行Java方法服务。
• Java线程执行的内存模型：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。
• 每一个方法从调用到执行的过程，就对应着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各种已知的基本数据类型（byte,char,short,int,long,float,double,boolean）、对象引用类型（reference）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。64位的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间，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器完成分配，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。
• 在这个区域中规定了两种异常：①当线程所请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将会抛出StackOverflowError异常。②如果虚拟机栈可以动态扩展，但申请不到足够内存时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈（线程私有）

• 为虚拟机执行Native方法服务。
• Sun HotStop虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。
• 会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆（全局共享）

• 目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在该区域分配内存。
• 从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆还可以细分为：新生代Young Generation（具体细分为：Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间）和老年代Old Generation。
• 从内存分配角度看，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（Thread Locak Allocation Buffer，TLAB）。
• 规范规定，堆可以是不连续的，主要逻辑连续就好。且可以实现固定大小以及可扩展的空间。
• 如果在堆中没有足够的内存来分配给实例，并且堆也无法再扩展，将会抛出OutOfMemoryError异常

方法区（全局共享）

• 方法区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。别名：Non-Heap（非堆）。
• HotSpot虚拟机中，将方法区称为“永久代”，本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机把GC分代收集扩展至方法区。
• 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，还有一项信息就是常量池，用于存放编译期生成的各种字面常量和符号引用，这部分内容会在类加载后进入方法区的运行时常量池。
• JDK 7的HotSpot中，已经将原本存放于永久代中的字符串常量池移出。
• 根据虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将会抛出OutOfMemoryError异常。当常量池无法再申请到内存时也会抛出OutOfMemoryError异常。
• JDK 8的HotSpot中，已经将永久代废除，用元数据实现了方法区。元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。理论上取决于32位/64位系统可虚拟的内存大小。可见也不是无限制的，需要配置参数。

元数据代替永久代

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。
• 在JDK 1.4中新加入了NIO类，引入了一种基于通道、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。
• 本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制。
• 在配置-Xmx等参数信息时，通常会忽略直接内存，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。