JVM-Java內存運行時數據區域介紹

運行時數據區域

一、程序計數器

程序計數器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。在虛擬機概念模型裏（它僅是概念模型，各類虛擬機可能會經過一些高效的方式去實現），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，各條線程之間計數器互不影響，獨立存儲，咱們稱這類內存區域爲「線程私有」的內存。

若是線程正在執行的是一個Java方法，這個計數器記錄的是正在執行的虛擬機字節碼指令的地址；若是正在執行的是Native方法，這個計數器值則爲空（Undefined）.此內存區域是惟一一個在Java虛擬機規範中沒有規定任務OutOfMenoryError狀況的區域。

二、Java虛擬機棧

與程序計數器同樣，Java虛擬機棧也是線程私有的，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中入棧到出棧的過程。

常常人有把Java內存區分爲堆內存和棧內存，這種分法比較粗糙，Java內存區域的劃分實際上遠比這複雜。這種劃分方式的流行只能說明大多數程序員最關注的、與對象內存分配關係最密切的內存區域是這兩塊。其中所指的堆就是如今講的虛擬機棧，或者說是虛擬機中局部變量表。

局部變量表存放了編譯期可知的各類基本數據類型（boolean,byte,char,short,int,float,long,double)、對象引用（reference類型，它不等同於對象自己，多是一個指向對象起始地址的引用指針，也多是指向一個表明對象的句柄或其餘與此對象相關的位置）和returnAddress類型（指向了一條字節碼指定的地址），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，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，當進入一個方法時，這個方法須要在幀中分配多個局部變量空間是徹底肯定的，在方法運行期間不會改變局部變量表的大小。

在Java虛擬機規範中，對這個區域規定了兩種異常情況：若是線程講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（當前大部分的Java虛擬機均可以動態擴展，只不過Java虛擬機規範中也容許固定長度的虛擬機棧），若是擴展時沒法申請到足夠的內存，就會拋出OutOfMenoryError異常。 

三、本地方法棧

本地方法棧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方法服務，而本地方法棧則爲虛擬機使用到Native方法服務。在虛擬機規範中對本地方法棧中方法使用的語言、使用方式與數據結構並無強制規定，所以具體的虛擬機能夠自由實現它。有的虛擬機直接就把本地方法棧和虛擬機棧合二爲一。與虛擬機棧同樣，本地方法區域也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常

四、Java堆 

Java堆是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，在虛擬機啓動時建立。此內存區域的惟一目的就是存放對象實例，幾乎全部的對象實例都在這裏分配內存。這一點在Java虛擬機規範中的描述是：全部的對象實例以及數組都要在堆上分配，可是隨着JIT編譯器的發展與逃逸分析技術逐漸成熟，棧上分配、標題替換優化技術將會致使一些微妙的變化發生，全部的對象都分配在堆上漸漸變得不是那麼絕對了。

Java堆是垃圾收集器管理的主要區域，所以不少時候也被稱爲「GC堆」。從內存回收的角度來看，因爲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。從內存分配的角度來看，線程共享的Java堆中可能劃分出多個線程私有的分配緩衝區（TLAB).不過不管如何劃分，都與存放內容無關，不管哪一個區域，存儲的都扔然是對象實例，進一步劃分的目的是爲了更好地回收內存，或者更快地分配內存。 

根據Java虛擬機規範的規定，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。在實現時，既能夠實現固定大小的，也能夠是可擴展的，不過當前主流的虛擬機都是按照可擴展來實現的，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

五、方法區

方法區與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。雖然Java虛擬機規範把方法區描述爲堆的一個邏輯部分，可是它卻有一個別名叫作Non-Heap（非堆），目的應該是與Java堆區分開來。 

不少人把方法區稱爲「永久代」，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GCc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，這樣HotSpot的垃圾收集器就能夠像管理Java堆同樣管理這部份內存，可以省去專門爲方法區編寫內存管理代碼的工做，對於其餘虛擬機來講是不存在永久代的概念。

原則上，如何實現方法區屬於虛擬機實現細節，不受虛擬機規範約束，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。
在JDK1.7版本中，已經把原來放在永久代的字符串常量池移出。根據Java虛擬機規範的規定，當方法區沒法知足內存分配需求時，將拋出OutOfMemoryError異常。 

六、運行時常量池 

 運行時常量池是方法區的一部分，Classic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，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文件每一部分的格式都有嚴格規定，每個字節用於存儲哪一種數據都必須符合規範上的要求才會被虛擬機承認、裝載和執行，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，不一樣的提供商實現的虛擬機能夠按照本身的須要要實現這個內存區域。不過，通常來講，除了保存Class文件中描述的符號引用外，還會把翻譯出來的直接引用也存儲在運行時常量池中。

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。

七、直接內存

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OutOfMenoryError異常出現。

 在JDK1.4新加入了NIO類，引入了一種基於通道與緩衝區的IO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。