引言
對於C++程序員，內存分配與回收的處理一直是令人頭疼的問題。Java由於自身的自動內存管理機制，使得管理內存變得非常輕松，不容易出現內存泄漏，溢出的問題。
不容易不代表不會出現問題，一旦內存泄漏或溢出的情況發生，調試起來會變得非常困難。這就要求我們對虛擬機的內存區域有深入的理解。最終能夠判斷內存方面的異常發生時，具體在JVM中的位置。
內存區域
JVM運行時，首先需要類加載器(ClassLoader) 加載所需類的字節碼，加載完畢交由執行引擎執行，執行過程中需要一段空間來存儲數據(類比CPU與主存)。這段內存空間的分配和釋放過程正是我們所關心的，稱為運行時數據區。
對於CS相關從業者，深入理解操作系統的內存的層次結構，分配與垃圾收集過程都是大有裨益的。同理，欲定位內存問題的出現區域，必須剖析運行時數據區。
運行時數據區
如上圖所示，運行時數據區包括：程序計數器(即PC寄存器)，Java 虛擬機棧(VM Stack)，Java 堆(Heap)，方法區(Method Area)，本地方法棧(Native Method Stack)。下面帶領大家深入理解各個數據區域。
JVM實際上就是一台虛擬的計算機，目的是為了實現"一次編譯，處處執行"。所以，在理解運行時數據區時，完全可以與操作系統系統 內存，寄存器類比學習。
程序計數器
每條虛擬機中的線程都有自己的寄存器，稱之為程序計數器(PC)。為了保證線程之間的獨立性，因而PC內的空間是線程私有的。
- 線程私有：只能本線程訪問的區域，其他線程無權訪問。
程序計數器的作用
虛擬機中的多線程通過線程輪轉調度，為每條線程分配時間片來實現並發執行。同一時刻，處理機只能執行一條線程。當切換到另外一條線程時，若不保存當前未執行完線程的執行位置，下次處理機再執行這條線程時，又要重新開始執行。這種情況顯然是不能容忍的。
引入程序計數器的目的，就是為了記錄線程的執行情況，便於下次切換后進行線程恢復。
程序計數器的機制
如何記錄線程的執行情況？ 其實也並不復雜，只需要記錄正在執行的虛擬機字節碼指令的地址。如果運行的是Native(本地)方法，計數器的值為Undefined。
程序計數器是唯一沒有OutOfMemoryError異常的區域。
Java 虛擬機棧
每個Java方法執行時，需要分配內存空間來存儲局部變量表，操作數棧，動態鏈接，方法出口等信息。將這部分內存稱之為棧幀(Stack Frame)。虛擬機棧用於存儲棧幀，是Java方法執行的內存模型。
顯然我們需要為每個執行的方法分配棧空間，因此Java虛擬機棧也是線程私有的。
虛擬機棧的作用
虛擬機棧記錄Java方法執行的過程。每個方法開始執行時，為之創建一個棧幀記錄信息；方法執行到完成的過程，對應棧幀在虛擬機棧中入棧到出棧的過程。
局部變量表
局部變量表是棧幀中的重要部分。存放編譯期定義的基本數據類型, 對象引用(相當於對象地址)，及returnAddress類型(字節碼指令地址)。
局部變量表空間在編譯期間分配，執行方法的過程中不會改變其大小。
異常
- 當線程請求的棧深度大於所允許的深度，拋出StackOverflowError異常。
- 長度不夠時，虛擬機棧可進行動態擴展，申請內存。若無法申請到足夠的內存，拋出OutOfMemoryError異常。
本地方法棧
本地方法棧與虛擬機棧類似，區別是虛擬機棧記錄執行的Java方法，本地方法棧則記錄Native方法。
本地方法棧同樣會拋出StackOverflowError與OutOfMemoryError異常。
Java 堆
Java堆用於存儲對象實例，為所有對象分配內存空間。
所有對象實例都要在堆上分配空間，因此Java堆是所有線程的共享區域。對象的生命周期結束后，Java堆還要負責內存回收，因此Java堆也常被稱之為GC堆(Garbage Collected Heap)。
內存模型
從內存回收的角度，Java堆可以分為新生代（Young Generation）與老生代(Old Generation)。這種划分的方式，是為了更好的回收內存(老生代內存會被優先回收)。
如圖，新生代還可以分為Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間。
永久代(Permanent Generation)用於存儲靜態類型數據，與垃圾收集器關系不大。
注意：本圖展示的是JVM堆的內存模型，JVM堆內存包括Java堆區域 和 永久代區域。因此，永久代不屬於Java堆。
異常
Java堆同樣可擴展(-Xmx與-Xms參數)。若堆中內存已無法為對象實例分配且無法再擴展，拋出OutOfMemoryError異常。
方法區
方法區存儲類信息、常量、靜態變量等數據，是線程共享的區域。為與Java堆區分，方法區還有一個別名Non-Heap(非堆)。
方法區≠永久代
方法區就是永久代？並非如此。
HotSpot虛擬機選擇用永久代來實現方法區，從而省去了為方法區編寫內存管理代碼的工作。這只是一種實現方式，其他虛擬機(BEA JRockit，IBM J9)都不存在永久代這一概念。
通過永久代來實現方法區容易造成內存溢出，未來也可能會被替代。
在虛擬機規范中，方法區的實現沒有明確的規定，因此不能將方法區等同於永久代。
異常
當方法區無法滿足內存分配的需要時，拋出OutOfMemoryError異常。
運行時常量池
運行時常量池(Runtime Constant Pool)用於存放編譯期生成的各種字面量和符號引用。
運行時常量池具備動態性，使得運行期間也可將新的常量放入池中。例如String類的intern() 方法。
package intern;
public class Main1 {
public static void main(String[] args) {
String s0= "I'm coding";
String s1=new String("I'm coding");
String s2=new String("I'm coding");
System.out.println( s0==s1 );
System.out.println( s0==s1.intern());
s2=s2.intern();
System.out.println( s0==s2 );
}
}
輸出結果
false
true
true
本例中，s0直接保存在常量池，s1與s2的對象實例存儲在Java堆中。==直接比較對象的hashCode，因此第一行輸出false。s1.intern()方法返回s1在常量池中的引用，沒有則創建。
s1存放的字符串已經在常量池中存在，直接返回s0的引用，第二行輸出true。
同理，s2接收了s2.intern()的返回值，字符串值與s0相同，第三行輸出true。
運行時常量池是方法區的一部分，因此受方法區內存的限制。當無法申請到內存時，拋出OutOfMemoryError異常。
總結
對於JVM的內存管理， 最重要的還是與OS內存管理知識進行類比以及結合實踐來學習。理解JVM內存區域的目的也是為了在工程中出現內存相關異常時能夠准確的定位所在區域，及時處理。
后續我們將在本文的基礎上來理解對象的創建過程以及OutOfMemoryError異常。
作者: I'm coding
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