JVM内存区域

• 前言
  这篇是JVM系列的第一篇文章，主要是介绍一下在JVM在运行期间内存区域的划分情况。

• 先给一张图：

  
  jvm运行时内存结构.png

OK,图上大家简单的看一下，我们可以把JVM运行时内存结构分为三部分。第一部分称之为数据私有区域（程序计数器、虚拟机方法栈、本地方法栈），第二部分称之为数据共享区域（堆内存、方法区），第三部分称之为直接内存（直接内存本身并不受JVM虚拟机）

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大体上的划分区域以后，我们再来细说各个区域的情况：

线程私有区域

• 程序计数器

每个线程都有着属于自己的线程计数器，用来记录着当前线程执行到哪个字节码地址。可以把它当成是当前线程所执行的字节码的。当程序执行的是java方法的时候，记录的是虚拟机的字节码指令地址，但如果执行的native方法，那么记录的就是个空值。这个内存区域也是JVM规定不会抛出OOM的区域。当然因为程序计数器属于线程私有，所以它的生命周期是随着线程的创建而诞生，也会随着线程的结束而消亡。
再深一点，为什么要有这个计数器呢？因为多线程情况下，CPU是不会去记录线程的执行位置的，所以只能由线程自己去记录自己的执行位置。
再深一点，为什么该区域是不会抛出OOM的？因为保存的字节码指令地址的值大小是固定的，因此可以在创建之初分配一个绝对不可能溢出的内存。
再深一点，为什么执行native方法保存的值是空呢？native方法是C/C++所写，由系统调用，不会产生字节码。因此，也就没有指令偏移地址可供记录。

• 虚拟机方法栈

用来描述java方法执行的内存模型，它会为每一个即将执行的java方法创建一个栈帧,这个栈帧是一个用来存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息的数据结构。
而java方法的从执行到结束，对应的正好是一个栈帧从入栈到出栈的过程。所以栈帧的生命周期是随着方法的执行而创建，随着方法的结束而销毁。同样，我们也可以知道虚拟机方法栈是随着线程的创建而诞生，也会随着线程的结束而消亡。
为了更加形象点，给个虚拟机方法栈的图吧：

虚拟机方法栈.png

对了，在虚拟机方法栈这里的话，可能会报俩种异常：StackOverFlowError和OutOfMemeryError。
栈溢出异常指的是程序请求的栈深度超过了JVM允许的最大栈深度。
内存溢出异常指的是在JVM允许栈可以动态扩展的时候（目前大部分的虚拟机都运行动态扩展）,无法为栈申请到足够的内存空间，则会抛出OOM。

• 本地方法栈

本地方法栈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，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（譬如 Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StackOverFlowError和OutOfMemoryError异常。
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线程共享区域

• 堆

用来存放对象的空间，几乎所有的对象都会被分配到这里进行存储，也是JVM里内存区域最大的一块。这里也是GC作用的主要区域，在GC的概念里（由于GC采用的是分代收集算法）在堆里也会划分为新生代、老年代。而新生代也被分为了Eden区、From Survivor区和To Survivor区。

我们刚刚在上面的描述里用到了几乎所有这个词，那就是说明还是有对象是不会被分配到堆内存里的，那么是哪些对象呢？
随着JIT技术的发展以及使用逃逸分析，JVM来判断方法里的对象是否会发生逃逸（可以理解为该对象不会被该方法之外的其他方法引用），如果没有发生逃逸，则可能会为这个对象分配到栈内存上而非堆内存里（当然也不是绝对是这样的），这样的好处很明显：减少了堆的内存分配压力，同时也会减少GC发生的次数

该区域会发生OOM，导致的原因由俩个：

1. 由于发生内存泄露导致对象无法被GC，已经分配出去的内存空间没有办法收回，导致可分配内存空间越来越小，最终的结果是就报OOM异常。
2. 内存中的对象确实还应该存活，但由于内存不够用产生的异常。

• 方法区

与堆内存一样，也是属于线程共享区域。主要是用来存放一些被JVM加载过的类的信息，静态变量、常量、JIT编译后的代码数据。当然方法区在JDK1.7与1.8的时候实现方式也是有所不同的。
1.7：
方法区的实现主要是以永久代的形式来实现，当然这里的永久代已经与之前的版本里的永久代有所区别了，原先永久代里的字符串常量池已经被移动到堆内存里了。
1.8：
永久代的概念已经被元空间（元数据空间）给取代了，而原先是存储在堆内存里的也变成与直接内存（堆外内存）一样存放在了本地内存里。同时原先的静态变量与运行时常量池也被移动到了堆内存里。这样元数据的分配只受本地内存的大小，就不会受到OOM的影响了

• 运行时常量池

首先，它是方法区的一部分，在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（Constant Pool Table）,用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，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。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储在运行时常量池中。
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语言并不要求常量一定只能在编译期产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员用的比较多的是String类的intern()方法。
既然运行时常量池是方法区的一部分，自然会受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

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直接内存

堆外内存，又被称为直接内存。它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。这部分内存不是由jvm管理和回收的。需要我们手动的回收。

堆内内存是属于jvm的，由jvm进行分配和管理，属于"用户态"，而推外内存是由操作系统管理的，属于"内核态"
在JDK1.4中加入了NIO类，引入了一种基于通道(Channel)与缓冲区(Buffer)的I/O方式，他可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在JAVA堆里面的DirectByteBuffer对象作为这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，因为避免了在JAVA堆中和Native堆中来回复制数据。

NIO申请直接内存总结：
我们用NIO类申请的内存其实是由jvm进行回收的，并不像unsave那样要我们自己对内存进行管理。这时候系统是不断回收直接内存的，由NIO申请的直接内存是需要System.gc()来进行内存回收的。系统会帮助我们回收直接内存的。不过为了提高gc的利用率，我们可能会在代码中加入-XX:+DisableExplicit禁止代码中显示调用gc(System.gc)。采取并行GC，就是由jvm来自动管理内存回收，而jvm主要是管理堆内内存，也就是当对堆内对象回收的时候，才有可能回收直接内存，这种不对称性很有可能产生直接内存内存泄漏。需要注意的是当我们没有指向堆外内存的引用的时候，也会把直接内存回收。

采用直接内存的优点：

1. 对于频繁的io操作，我们需要不断把内存中的对象复制到直接内存。然后由操作系统直接写入磁盘或者读出磁盘。这时候用到直接内存就减少了堆的内外内存来回复制的操作。
2. 我们在运行程序的过程中可能需要新建大量对象，对于一些声明周期比较短的对象，可以采用对象池的方式。但是对于一些生命周期较长的对象来说，不需要频繁调用gc，为了节省gc的开销，直接内存是必备之选。
3. 扩大程序运行的内存，由于jvm申请的内存有限，这时候可以通过堆外内存来扩大内存。

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• 写在最后

JVM系列文章，主要还是偏理论居多，写起来也得翻很多资料，看起来也比较难以理解。所以如果真的要好好了解这块东西，需要大家还是得耐着性子看下去。