技術問答集錦（15）JVM內存模型

1 JVM組成結構？

JVM = 類加載器(classloader) + 執行引擎(execution engine) + 運行時數據區域(runtime data area)

2 JVM運行時數據區域？

3 什麼是程序計數器？

1. 當前線程所執行的字節碼的行號指示器；
2. 線程私有，生命週期與線程相同；
3. 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，如：分支、循環、跳轉、異常處理、線程恢復（多線程切換）等基礎功能；
4. 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Natvie方法，這個計數器值則爲空（undefined）；
5. 程序計數器中存儲的數據所佔空間的大小不會隨程序的執行而發生改變，因此此區域不會出現OutOfMemoryError的狀況；

4 什麼是虛擬機棧？

1. 描述的是Java方法執行的內存模型，每一個方法被執行的時候都會同時建立一個 棧幀（Stack Frame） 用於存儲 局部變量表、操做棧、動態連接、方法出口 等信息。每個方法被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從入棧到出棧的過程。
2. 線程私有，生命週期與線程相同；
3. 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，根據不一樣的虛擬機實現，它多是一個指向對象起始地址的引用指針，也可能指向一個表明對象的句柄或者其餘與此對象相關的位置）和returnAddress類型（指向了一條字節碼指令的地址）。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，這個方法須要在棧幀中分配多大的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。
4. 該區域可能拋出如下異常：
   1. 當線程請求的棧深度超過最大值，會拋出 StackOverflowError 異常；
   2. 棧進行動態擴展時若是沒法申請到足夠內存，會拋出 OutOfMemoryError 異常；

5 什麼是本地方法棧？

1. 爲虛擬機使用到的 Native 方法服務；
2. 線程私有，生命週期與線程相同；
3. 虛擬機規範中對本地方法棧中的方法使用的語言、使用的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。甚至有的虛擬機（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；
4. 與虛擬機棧同樣，本地方法棧區域也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常；

6 什麼是堆？

1. 在虛擬機啓動時建立，用來存放對象實例，幾乎全部的對象實例都在這裏分配內存；
2. 被全部線程共享；
3. 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」。若是從內存回收的角度看，因爲如今收集器基本都是 採用的分代收集算法，因此Java堆中還能夠細分爲：新生代和老年代；新生代又有Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間三部分；
4. Java 堆不須要連續內存，而且能夠經過動態增長其內存，增長失敗會拋出 OutOfMemoryError 異常；

7 什麼是方法區？

1. 用於存放 已被加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯後的代碼 等數據；
2. 被全部線程共享；
3. 對這塊區域進行垃圾回收的主要目標是 對常量池的回收和對類的卸載，可是通常比較難實現，HotSpot 虛擬機把它當成永久代（Permanent Generation）來進行垃圾回收；
4. 和 Java 堆同樣不須要連續的內存，而且能夠動態擴展，動態擴展失敗同樣會拋出 OutOfMemoryError 異常；

8 什麼是運行時常量池？

1. 運行時常量池是方法區的一部分；
2. Class 文件中的常量池（編譯器生成的各類字面量和符號引用）會在類加載時被放入這個區域；
3. 除了 在編譯期生成的常量，還容許動態生成，例如 String 類的 intern()。這部分常量也會被放入運行時常量池；

在 JDK1.7以前，HotSpot 使用永久代實現方法區；HotSpot 使用 GC 分代實現方法區帶來了很大便利；

從 JDK1.7 開始 HotSpot 開始移除永久代。其中符號引用（Symbols）被移動到 Native Heap中，字符串常量和類引用被移動到 Java Heap中。

在 JDK1.8 中，永久代已徹底被元空間(Meatspace)所取代。元空間的本質和永久代相似，都是對JVM規範中方法區的實現。不過元空間與永久代之間最大的區別在於：元空間並不在虛擬機中，而是使用本地內存。所以，默認狀況下，元空間的大小僅受本地內存限制。

9 什麼是直接內存？

1. 直接內存（Direct Memory）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。
2. 在 JDK 1.4 中新加入了 NIO 類，引入了一種基於通道（Channel）與緩衝區（Buffer）的 I/O方式，它能夠 使用 Native 函數庫直接分配堆外內存，而後經過一個存儲在 Java 堆裏的 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。