JVM內存模型

運行時數據區域

Java虛擬機（Java Virtual Machine，簡稱JVM）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，以及建立和銷燬的時間，有的區域隨着虛擬機進程的啓動而存在，有些區域則是依賴用戶線程的啓動和結束而創建和銷燬。

程序計數器（Program Counter Register）

• 程序計數器（Program Counter Register）是一塊較小的內存空間，它的做用能夠看作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（僅是概念模型，各類虛擬機可能會經過一些更高效的方式去實現），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（對於多核處理器來講是一個內核）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，各條線程之間的計數器互不影響，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Natvie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何OutOfMemoryError狀況的區域。

Java虛擬機棧（JVM Stacks）

• 與程序計數器同樣，Java虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）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。
• 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）。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，當進入一個方法時，這個方法須要在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。
• 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。

能夠經過 -Xss 這個虛擬機參數來指定一個程序的 Java 虛擬機棧內存大小：

java -Xss=512M JvmDemo

本地方法棧（Native Method Stacks）

• 本地方法棧（Native MethodStacks）與虛擬機棧所發揮的做用是很是類似的，其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，而本地方法棧則是爲虛擬機使用到的Native 方法服務。虛擬機規範中對本地方法棧中的方法使用的語言、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。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。
• 與虛擬機棧同樣，本地方法棧區域也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

Java堆（Heap）

• 對於大多數應用來講，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，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。
• 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；再細緻一點的有Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間等。
• 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。
  

能夠經過 -Xms 和 -Xmx 兩個虛擬機參數來指定一個程序的 Java 堆內存大小，第一個參數設置最小值，第二個參數設置最大值。

java -Xms=1M -XmX=2M JvmDemo

方法區（Method Area）

• 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。
• 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。
• 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。
• 方法區邏輯上屬於堆的一部分，可是爲了與堆進行區分，一般又叫「非堆」。

注：移除永久代的工做從JDK1.7就開始了。JDK1.7中，存儲在永久代的部分數據就已經轉移到了Java堆（Java Heap）或者是Native堆（Native Heap）。但永久代仍存在於JDK1.7中，並沒徹底移除，譬如符號引用(Symbols)轉移到了native heap；字面量(interned strings)轉移到了java heap；類的靜態變量(class statics)轉移到了java heap。而在JDK1.8中, 永久區已經被完全移除, 取而代之的是元數據區（Metaspace）(這一點在查看GC日誌和使用jstat -gcutil查看GC狀況時能夠觀察到),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。

運行時常量池（Runtime Constant Pool）

• 運行時常量池是方法區的一部分。
• Class 文件中的常量池（編譯器生成的各類字面量和符號引用）會在類加載後被放入這個區域。
• 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。

直接內存（Direct Memory）

• 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。
• 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。