Java内存模型以及分区

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，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规范（第2版）》的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域，如下图所示：

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• 程序计数器(线程私有)

程序计数器(Program Counter Register)是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。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(对于多核处理器的一个内核)只会执行一条线程中的命令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每个线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互相不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。如果线程正在执行的是Native方法这个计数器的值则为空(Undefined)。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。

• Java虚拟机栈(线程私有)

与程序计数器一样，Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型:每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表，操作栈，动态链接，方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译期就可以知道的各种基本数据类型(boolean,byte,char,short,int,float,long,double),对象引用(reference类型)，它不等同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能指向一个代表对象的语柄或者其它与此对象的相关位置和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)。

• 本地方法栈(线程私有)

本地方法栈(Native Method Stacks)与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言，使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具有的虚拟机才可以自由使用它，甚至有的虚拟机直接就将本地方法栈和虚拟机栈合二为一了。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

• java堆(共享)

对于大多数应用程序来说，Java堆(Java Heap)是Java虚拟机所管理的内存中的最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，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。这一点在Java虚拟机规范中的描述是:所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟，栈上分配，标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都在堆上面分配渐渐的变得没有那么的绝对了。

Java堆是垃圾收集管理的主要区域，因此很多时候也被称做GC堆，如果从内存回收角度来看，由于现在的收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为:新生代，老年代，再细致的一点还有Eden空间，From Survivor空间，To Survivor空间等。如果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。不过，无论怎么划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好的回收内存，或者更快的分配内存。

根据Java虚拟机规范规定，Java堆可以处于物理上不连续的区域的内存空间中，只要逻辑上是连续的就可以，就像我们的磁盘空间一样，在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过目前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的(-Xmx和-XMs控制)。如果堆中没有内存完成实例的分配，并且堆也无法再完成扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

• 方法区(共享)

方法区(Method Area)与Java堆一样，是各个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，即时编译器变异后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个名字叫做Non-Heap(非堆)，目的应该是与Java堆区分开。

Java虚拟机规范对这个区域的限制非常的宽松，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，垃圾收集在这个区域是比较少出现的，但是并非数据进入方法区，就如同进入永久带一样能够永久存在了。这个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，一般来说这个区域的回收成绩难以令人满意，尤其是类型卸载的时候，条件相当的苛刻，但是这部分区域的回收确实是有必要的，在Sun公司的BUG列表中，曾出现过的若干个严重的BUG就是由于低版本的HotSpot虚拟机对此区域未完全回收而导致内存泄漏。 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，将抛出OutOfMemoryError异常。