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程序的過程中會把它所管理的內存划分為若干個不同的數據區域。這些區域都有各自的用途，以及創建和銷毀的時間，有的區域隨着虛擬機進程的啟動而存在，有些區域則是依賴用戶線程的啟動和結束而建立和銷毀。

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，它的作用可以看做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里（僅是概念模型，各種虛擬機可能會通過一些更高效的方式去實現），字節碼解釋器工作時就是通過改變這個計數器的值來選取下一條需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需要依賴這個計數器來完成。
• 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（對於多核處理器來說是一個內核）只會執行一條線程中的指令。因此，為了線程切換后能恢復到正確的執行位置，每條線程都需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，我們稱這類內存區域為“線程私有”的內存。
• 如果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；如果正在執行的是Natvie方法，這個計數器值則為空（undefined）。
• 此內存區域是唯一一個在Java 虛擬機規范中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域。

Java虛擬機棧（JVM Stacks）

• 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（Stack Frame）用於存儲局部變量表、操作棧、動態鏈接、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種基本數據類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對象引用（reference類型），它不等同於對象本身，根據不同的虛擬機實現，它可能是一個指向對象起始地址的引用指針，也可能指向一個代表對象的句柄或者其他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類型的數據會占用2個局部變量空間（Slot），其余的數據類型只占用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表的大小。
• 該區域可能拋出以下異常：
  1. 當線程請求的棧深度超過最大值，會拋出 StackOverflowError 異常；
  2. 棧進行動態擴展時如果無法申請到足夠內存，會拋出 OutOfMemoryError 異常。

可以通過 -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作用是非常相似的，其區別不過是虛擬機棧為虛擬機執行Java方法（也就是字節碼）服務，而本地方法棧則是為虛擬機使用到的Native 方法服務。虛擬機規范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沒有強制規定，因此具體的虛擬機可以自由實現它。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為一。
• 與虛擬機棧一樣，本地方法棧區域也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

Java堆（Heap）

• 對於大多數應用來說，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，幾乎所有的對象實例都在這里分配內存。
• Java堆是垃圾收集器管理的主要區域，因此很多時候也被稱做“GC堆”。如果從內存回收的角度看，由於現在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆中還可以細分為：新生代和老年代；再細致一點的有Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間等。
• Java 堆不需要連續內存，並且可以通過動態增加其內存，增加失敗會拋出 OutOfMemoryError 異常。
  

可以通過 -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、即時編譯器編譯后的代碼等數據。
• 和 Java 堆一樣不需要連續的內存，並且可以動態擴展，動態擴展失敗一樣會拋出 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，但是一般比較難實現，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，但是為了與堆進行區分，通常又叫“非堆”。

注：移除永久代的工作從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，並沒完全移除，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, 永久區已經被徹底移除, 取而代之的是元數據區（Metaspace）(這一點在查看GC日志和使用jstat -gcutil查看GC情況時可以觀察到),元空間的本質和永久代類似，都是對JVM規范中方法區的實現。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。因此，默認情況下，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（編譯器生成的各種字面量和符號引用）會在類加載后被放入這個區域。
• 除了在編譯期生成的常量，還允許動態生成，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）並不是虛擬機運行時數據區的一部分，也不是Java虛擬機規范中定義的內存區域，但是這部分內存也被頻繁地使用，而且也可能導致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）與緩沖區（Buffer）的 I/O方式，它可以使用 Native 函數庫直接分配堆外內存，然后通過一個存儲在 Java 堆里的 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 堆中來回復制數據。