Java运行时数据区域

运行时数据区域

在 JVM 中存在三个重要的概念：

• JVM 规范：它定义了虚拟机运行的规范，但是由 Oracle（SUN）或者其它厂商实现

• Java 运行时环境(JRE：Java Runtime Environment)：它是 JVM 规范的具体实现

• JVM 实例：编写好 Java 代码之后，运行 Java 程序，此时就会创建 JMV 实例

Java虚拟机在执行Java程序过程，会把其管理的内存划分成若干个不同的区域，每个区域有各自的用途、创建时间和销毁时间，有的随着虚拟机的启动就一直存在，有的依赖于用户线程的启动和销毁。

java虚拟机所管理的内存包含以下几个区域

程序计数器（Program Counter Regeister）

线程私有，即生命周期和线程相同

程序计数器占用一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。类比操作系统中的程序计数器，Java虚拟机的概念模型中，字节码解释器工作时就是通过改变程序计数器的值选取下一条要执行的字节码指令。

Java虚拟机的多线程是通过线程轮换、分配处理器时间方式实现，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说就是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能够恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器。各个计数器相互不影响，独立存储。

称这里的内存区域为“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的地址；如果正在执行的是本地（Native）方法，这个计数器值应该为空（Undefined）。

此内存区域是JVM规范中没有规定任何OutOfMemoryError（OOM）情况的区域

Java虚拟机栈（Java Vitural Machine Stack）

线程私有，生命周期和线程相同

Java虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储

• 局部变量表

• 操作数栈

• 动态链接

• 方法出口

• 等

每一个方法被调用直至执行完毕的过程，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：存放了编译器可知的各种Java基本数据类型、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，也可能是指向另一个代表对象的句柄或其他次对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽(Slot)表示，long和double���占用两个变量槽，局部变量表所需内存空间在编译时就已经分配，方法运行期间不会改变其大小，即槽的数量。

JVM规范中对这个内存区域规定了两种异常情况：

• 如果线程请求的栈的深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；

• 如果虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OOM异常；HotSpot虚拟机不支持虚拟机栈的动态扩展。只在线程申请栈空间失败抛出OOM异常

本地方法栈（Native Method Stacks）

与虚拟机栈发挥的作用非常相似，区别在于虚拟机栈为虚拟机执行的Java方法服务，而本地方法栈则是为了虚拟机使用到的本地方法服务。

HotSpot虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

Java堆（Java Heap）

被所有线程共享，虚拟机启动时创建。

虚拟机管理内存最大的一块，唯一目的就是存放对象实例。Java堆是垃圾收集器管理的内存区域，也被成为GC堆。

从内存分配的角度看，所有线程共享的Java堆可以划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer,TLAB）以提升对象分配时的效率。需要注意的是Java堆的细分，目的只是为了更好地回收和更快地分配内存。

主流的Java虚拟机实现Java堆都是可以扩展的（通过参数-Xmx 和-Xms设）

如果Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆再也无法扩展，JVM将抛出OOM异常

方法区（Method Area）

所有线程共享内存区域

用于存储被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。

JVM规范对方法区的约束非常宽松，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之外，还可以选择不实现垃圾收集。这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，一般回收效果难以令人满意。

如果方法区无法满足新内存分配要求，抛出OOM异常

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表（Constant Pool Table），用于存放编译器生成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是说，并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可以将新的常量放入池中，用的比较多的就是String类的intern()方法。

运行时常量池收到方法区内存的限制，无法申请到内存抛出OOM异常。

直接内存（Direct Memory）�

不是JVM运行时数据区的一部分，也不是JVM规范中定义的内存区域。但是这部分内存被频繁的使用，也可能导致OOM异常。

NIO（New Input/Output）类引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的 I/O 方式。可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过存储在Java堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。

因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据，能在一些场景中显著提高性能。

本机内存不会受到Java堆大小的限制，但是会收到机器本身的限制。当配置虚拟机参数时如果忽略直接内存，使得各个内存区域综合大于物理内存限制，会导致动态扩展时候出现OOM异常。