深入理解JVM內存區域

Java虛擬機在執行Java程序的過程中會把它所管理的內存劃分為若干個不同的數據區域。如下圖所示

1. 程序計數器

程序計數器（Program Counter Register）是佔用較小的、線程私有的一塊內存空間，它的作用是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。在虛擬機中，通過改變計數器的值來選擇下一條需要執行的字節碼指令,比如 分支，循環，跳轉，異常處理，線程恢復等基礎功能。

由於Java虛擬機的多線程是通過線程輪流切換並分配處理器執行時間的方式來實現的，在任何一個確定的時刻，一個處理器只會執行一條線程中的指令。因此，為了線程切換後能恢復到正確的執行位置，每條線程都需要有獨立的程序計數器，各線程之間的計數器互不影響。

如果線程執行的是一個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；如果正在執行的是Native方法，這個計數器則為空。

此內存區域是唯一一個Java虛擬機規範中沒有任何OutOfMemoryError情況的區域。

2. Java虛擬機棧

與程序計數器一樣，Java虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）也是線程私有的，它的生命周期與線程相同。虛擬機棧描述的是Java方法執行的內存模型：每個方法被執行的時候都會同時創建一個棧幀用於存儲局部變量表、操作棧、動態連結、方法出口等信息。每一個方法被調用直至執行完成的過程，就對應這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器可知的各種基本數據類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double），對象引用和returnAddress類型（指向一條字節碼指令的地址）。

64位長度的long和double類型的數據佔用2個局部變量空間（slot），其餘的數據類型只佔用1個。局部變量表所需的內存空間在編譯期間就已經完成分配，當進入一個方法時，這個方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的，在方法運行期間不會改變局部變量的大小。

虛擬機棧會出現兩種異常狀況：如果線程請求的棧深度大於虛擬機允許的深度，將會拋出StackOverflowError異常；如果虛擬機可以動態擴展，但是擴展時無法申請到足夠的內存，將會拋出OutOfMemoryError異常。

注意：

3. 本地方法棧

與虛擬機棧作用相似，區別是虛擬機棧為Java方法服務，而本地方法棧為虛擬機使用到的Native方法服務。該區域也會拋出StackOverflowError 和OutOfMemoryError異常。

4. Java堆

Java堆（Java Heap）是虛擬機管理的內存中最大的一塊。Java堆是被所有線程共享的一塊內存區域，在虛擬機啟動時創建，此內存區域的唯一目的就是存放對象實例。

Java堆是垃圾回收器管理的主要區域，被稱為"GC"堆。從內存回收角度，由於現在收集器基本上採用的是分代收集算法，所以Java堆還可以細分為：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

堆大小可通過-Xmx 和 -Xms參數來控制。如果在堆中沒有內存完成實例分配，並且堆也無法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError異常。

5. 方法區

方法區（Method Area）是各個線程共享的內存區域。用於存儲已被虛擬機加載的類型信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯後的代碼等數據，而Jdk8以前的永久代和Jdk8的元空間都是方法區的不同實現。其中主要分類是靜態常量池、運行時常量池、字符串常量池

5.1 靜態常量池

class文件中除了有類的版本、欄位、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種字面量和符號引用，這部分內容將在類加載後進入運行時常量池中存放。

靜態常量池就是上面說的class文件中的常量池。class常量池是在編譯時每個class文件中都存在。不同的符號信息放置在不同標誌的常量表中。

5.2 運行時常量池

運行時常量池是在類加載完成之後，將每個class常量池中的符號引用值轉存到運行時常量池中。每個class都有一個運行時常量池，類在解析之後將符號引用替換成直接引用，與全局常量池中的引用值保持一致。

運行時常量池相對於class文件常量池的另外一個特性是具備動態性（用來動態獲取類信息，包括：class文件元信息描述、編譯後的代碼數據、引用類型數據、類文件常量池等），java語言並不要求常量一定只有編譯器才產生，也就是並非預置入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是String類的intern()方法

5.3 字符串常量池

字符串池裡的內容是在類加載完成，經過驗證、準備階段之後存放在字符串常量池中。

字符串常量池的處理機制是只會存儲一份，被所有的類共享。基本流程是：創建字符串之前檢查常量池中是否存在，如果存在則獲取其引用，如果不存在則創建並存入，返回新對象引用。

6. 直接內存

直接內存（Direct Memory）並不是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。但是這部分也被頻繁地使用，而且也可能導致OutOfMemoryError異常出現。 在JDK1.4中新加入了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，它可以使用Native函數庫直接分配堆外內存，然後通過一個存儲在Java堆中的DirectByteBuffer對象作為這塊內存的引用進行操作。這樣能在一些場景中顯著提高性能，因為避免了在Java堆和Native堆中來回複製數據。

顯然，本機直接內存的分配不會受到Java堆大小的限制，但是，既然是內存，肯定還是會受到本機總內存（包括RAM以及SWAP區或者分頁文件）大小以及處理器尋址空間的限制。伺服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，但經常忽略直接內存，使得各個內存區域總和大於物理內存限制（包括物理的和作業系統級的限制），從而導致動態擴展時出現OutOfMemoryError異常。

附錄-方法區不同的Jdk版本變化

在JDK1.7之前運行時常量池邏輯包含字符串常量池存放在方法區, 此時hotspot虛擬機對方法區的實現為永久代。

在JDK1.7字符串常量池和靜態變量被從方法區拿到了堆中，運行時常量池剩下的還在方法區, 也就是hotspot中的永久代。

在JDK8 hotspot移除了永久代用元空間(Metaspace)取而代之, 這時候字符串常量池還在堆，運行時常量池還在方法區，只不過方法區的實現從永久代變成了元空間(Metaspace)

通過上面的圖解，我們可以輕易得知在不同的版本中方法區及內部組成部分是在不斷變化的。

參考文章：

《深入理解Java虛擬機》

https://cloud.tencent.com/developer/article/1690589