JVM運行時數據區域

參考自《深刻理解JAVA虛擬機》第二版

第2章　Java內存區域與內存溢出異常

2.1　概述

對於Java程序員來講，在虛擬機自動內存管理機制的幫助下，再也不須要爲每個new操做去寫配對的delete/free代碼，由虛擬機管理內存這一切看起來都很美好，一旦出現內存泄漏和溢出方面的問題，若是不瞭解虛擬機是怎樣使用內存的，那麼排查錯誤將會成爲一項異常艱難的工做。

2.2　運行時數據區域

Java虛擬機在執行Java程序的過程當中會把它所管理的內存劃分爲若干個不一樣的數據區域。這些區域都有各自的用途。

2.2.1　程序計數器

程序計數器（Program Counter Register）是一塊較小的內存空間，它能夠看做是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。
在虛擬機的概念模型裏，字節碼解釋器工做時就是經過改變這個計數器的值來選取下一條須要執行的字節碼指令，分支、循環、跳轉、異常處理、線程恢復等基礎功能都須要依賴這個計數器來完成。

因爲Java虛擬機的多線程是經過線程輪流切換並分配處理器執行時間的方式來實現的，在任何一個肯定的時刻，一個處理器都只會執行一條線程中的指令。所以，爲了線程切換後能恢復到正確的執行位置，每條線程都須要有一個獨立的程序計數器，咱們稱這類內存區域爲線程私有的內存。

2.2.2　Java虛擬機棧

Java虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）是線程私有的，它的生命週期與線程相同。

虛擬機棧描述的是Java方法執行的內存模型：每一個方法在執行的同時都會建立一個棧幀用於存儲局部變量表、操做數棧、動態連接、方法出口等信息。每個方法從調用直至執行完成的過程，就對應着一個棧幀在虛擬機棧中入棧到出棧的過程。

局部變量表存放了編譯期可知的各類基本數據類型、對象引用和returnAddress類型（指向了一條字節碼指令的地址）。

其中64位長度的long和double類型的數據會佔用2個局部變量空間（Slot），其他的數據類型只佔用1個。

局部變量表所需的內存空間在編譯期間完成分配。

對這個區域規定了兩種異常情況：若是線程請求的棧深度大於虛擬機所容許的深度，將拋出StackOverflowError異常；若是虛擬機棧能夠動態擴展，若是擴展時沒法申請到足夠的內存，就會拋出OutOfMemoryError異常。

2.2.3　本地方法棧

地方法棧（Native Method Stack）與虛擬機棧所發揮的做用是很是類似的，它們之間的區別不過是虛擬機棧爲虛擬機執行Java方法（也就是字節碼）服務，而本地方法棧則爲虛擬機使用到的Native方法服務。

有的虛擬機（譬如Sun HotSpot虛擬機）直接就把本地方法棧和虛擬機棧合二爲一。

本地方法棧區域也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

2.2.4　Java堆

Java堆（Java Heap）是Java虛擬機所管理的內存中最大的一塊。Java堆是被全部線程共享的一塊內存區域。幾乎全部的對象實例都在這裏分配內存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要區域，所以不少時候也被稱作「GC堆」。如今收集器基本都採用分代收集算法，因此Java堆中還能夠細分爲：新生代和老年代；再細緻一點的有Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間等。

Java堆能夠處於物理上不連續的內存空間中，只要邏輯上是連續的便可，就像咱們的磁盤空間同樣。當前主流的虛擬機都是按照可擴展來實現的（經過-Xmx和-Xms控制）。若是在堆中沒有內存完成實例分配，而且堆也沒法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError異常。

2.2.5　方法區

方法區（Method Area）與Java堆同樣，是各個線程共享的內存區域，它用於存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯後的代碼等數據。

對於習慣在HotSpot虛擬機上開發、部署程序的開發者來講，不少人都更願意把方法區稱爲「永久代」（Permanent Generation），本質上二者並不等價，僅僅是由於HotSpot虛擬機的設計團隊選擇把GC分代收集擴展至方法區，或者說使用永久代來實現方法區而已。

但使用永久代來實現方法區，如今看來並非一個好主意，由於這樣更容易遇到內存溢出問題。已經發布的JDK 1.7的HotSpot中，已經把本來放在永久代的字符串常量池移出。

相對而言，垃圾收集行爲在這個區域是比較少出現的，但並不是數據進入了方法區就如永久代的名字同樣「永久」存在了。這區域的內存回收目標主要是針對常量池的回收和對類型的卸載。

2.2.6　運行時常量池

運行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區的一部分。Class文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項信息是常量池（Constant Pool Table），用於存放編譯期生成的各類字面量和符號引用，這部份內容將在類加載後進入方法區的運行時常量池中存放。

Java虛擬機對Class文件每一部分（天然也包括常量池）的格式都有嚴格規定,但對於運行時常量池，Java虛擬機規範沒有作任何細節的要求。

運行時常量池相對於Class文件常量池的另一個重要特徵是具有動態性，Java語言並不要求常量必定只有編譯期才能產生，也就是並不是預置入Class文件中常量池的內容才能進入方法區運行時常量池，運行期間也可能將新的常量放入池中，這種特性被開發人員利用得比較多的即是String類的intern()方法。

既然運行時常量池是方法區的一部分，天然受到方法區內存的限制，當常量池沒法再申請到內存時會拋出OutOfMemoryError異常。

2.2.7　直接內存

並非虛擬機運行時數據區的一部分，也不是Java虛擬機規範中定義的內存區域。可是這部份內存也被頻繁地使用，並且也可能致使OutOfMemoryError異常出現。

在JDK 1.4中加入了NIO（New Input/Output）類，引入了一種基於通道（Channel）與緩衝區（Buffer）的I/O方式，它可使用Native函數庫直接分配堆外內存，而後經過一個存儲在Java堆中的DirectByteBuffer對象做爲這塊內存的引用進行操做。這樣能在一些場景中顯著提升性能，由於避免了在Java堆和Native堆中來回複製數據。

服務器管理員在配置虛擬機參數時，會根據實際內存設置-Xmx等參數信息，但常常忽略直接內存，使得各個內存區域總和大於物理內存限制。