了解JVM內存結構的目的
在Java的開發過程中，因為有JVM自動內存管理機制，不再需要像在C、C++開發那樣手動釋放對象的內存空間，不容易出現內存泄漏和內存溢出的問題。但是，正是由於把內存管理的權利交給了JVM，一旦出現內存泄漏和內存溢出方面的問題，如果不了解JVM是如何使用內存的，不了解JVM的內存結構是什么樣子的，就很難找到問題的根源，就更難以解決問題。
歡迎關注微信公眾號：萬貓學社，每周一分享Java技術干貨。
JVM內存結構簡介
在JVM所管理的內存中，大致分為以下幾個運行時數據區域：
- 程序計數器：當前線程所執行的字節碼的行號指示器。
- 虛擬機棧：Java方法執行的內存模型，用於存儲局部變量表、操作數棧、動態鏈接、方法出口等信息。
- 本地方法棧：本地方法執行的內存模型，和虛擬機棧非常相似，其區別是本地方法棧為JVM使用到的Native方法服務。
- 堆：用於存儲對象實例，是垃圾收集器管理的主要區域。
- 方法區：用於存儲已被JVM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。
其中，黃色區域的程序計數器、虛擬機棧和本地方法棧是線程私有的，紅色區域的堆和方法區是線程共享的。下面我們逐一詳細分析各個區域。
歡迎關注微信公眾號：萬貓學社，每周一分享Java技術干貨。
程序計數器
程序計數器（Program Counter Register）是一塊較小的內存空間，它記錄了當前線程所執行的字節碼的行號。在JVM的概念模型里，字節碼解釋器工作時就是通過改變它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是依賴它來完成的。
通過線程輪流切換並分配處理器執行時間，實現了JVM的多線程操作。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，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，那么它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，它的值就為空（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。
歡迎關注微信公眾號：萬貓學社，每周一分享Java技術干貨。
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，如上圖每一個線程都有自己的虛擬機棧，它的生命周期與線程相同，當線程被創建時，虛擬機棧也同時被創建；當線程被銷毀時，虛擬機棧也同時被銷毀。
在線程內部，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、操作數棧、動態鏈接、方法出口等信息，如上圖。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。
其中棧幀中的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）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。
在Java虛擬機規范中，對這個區域規定了兩種異常狀況：
如果線程請求的棧深度大於虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常，讓我們寫一段代碼，使其拋出該異常：
/**
* VM Args: -Xss128k
*/
public class JVMStackSOF {
private int stackLength = 1;
public void stackLeak() {
stackLength++;
stackLeak();
}
public static void main(String[] args) {
JVMStackSOF sof = new JVMStackSOF();
try {
sof.stackLeak();
} catch (Throwable e) {
System.out.println("Stack length:" + sof.stackLength);
throw e;
}
}
}
在運行之前，設置JVM的參數為-Xss128k，運行結果如下：
Stack length:1002
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
at OneMoreStudy.JVMStackSOF.stackLeak(JVMStackSOF.java:10)
at OneMoreStudy.JVMStackSOF.stackLeak(JVMStackSOF.java:11)
at OneMoreStudy.JVMStackSOF.stackLeak(JVMStackSOF.java:11)
......
棧的深度達到1002時，拋出了StackOverflowError異常。
歡迎關注微信公眾號：萬貓學社，每周一分享Java技術干貨。
如果虛擬機棧可以動態擴展，當擴展時無法申請到足夠的內存時會拋出OutOfMemoryError異常，還是讓我們寫一段代碼，使其拋出該異常：
/**
* VM Args: -Xss2M
*/
public class JVMStackOOM {
private void dontStop() {
while (true) {
}
}
public void stackLeakByThread() {
while (true) {
Thread t = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
dontStop();
}
});
t.start();
}
}
public static void main(String[] args) {
JVMStackOOM oom = new JVMStackOOM();
oom.stackLeakByThread();
}
}
這段代碼會創建出無限多的線程，因為Java的線程會映射系統的內核線程上，所以會造成CPU占用率100%，系統假死等現象，請謹慎運行。在運行之前，設置JVM的參數為-Xss2M，運行很長一段時間后結果如下：
Exception in thread "main" java.lang.OutMemoryError: unable to create new native thread
at java.lang.Thread.start0(Native Method)
at java.lang.Thread.start(Unknown Source)
at OneMoreStudy.JVMStackOOM.stackLeakByThread(JVMStackOOM.java:18)
at OneMoreStudy.JVMStackOOM.main(JVMStackOOM.java:24)
歡迎關注微信公眾號：萬貓學社，每周一分享Java技術干貨。
本地方法棧
本地方法棧（Native Method Stacks）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，所以具體的虛擬機可以自由實現它。甚至有的虛擬機（比如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。
歡迎關注微信公眾號：萬貓學社，每周一分享Java技術干貨。
堆
Java堆（Java Heap）是Java虛擬機所管理的內存中最大的一塊。它是被所有線程共享的一塊內存區域，在虛擬機啟動時創建。它就是用來存放對象實例的，幾乎所有的對象實例都在這里分配內存。
堆是垃圾收集器管理的主要區域，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。從內存分配的角度看，線程共享的堆中又可能划分出多個線程私有的分配緩存區（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。
根據Java虛擬機規范的規定，Java堆可以處於物理上不連續的內存空間中，只要邏輯上是連續的即可，就像我們的磁盤空間一樣。在實現時，既可以實現成固定大小的，也可以是可擴展的，不過當前主流的虛擬機都是按照可擴展來實現的（通過-Xmx和-Xms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，再讓我們寫一段代碼，使其拋出該異常：
/*
* VM Args: -Xms20M -Xmx20M
*/
public class HeapOOM {
static class OOMObject{
}
public static void main(String[] args){
List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();
while(true){
//把對象實例放入列表中，
//使其一直被引用，不會被垃圾回收
list.add(new OOMObject());
}
}
}
在運行之前，設置JVM的參數為-Xms20M -Xmx20M，運行結果如下：
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
at java.util.Arrays.copyOf(Unknown Source)
at java.util.Arrays.copyOf(Unknown Source)
at java.util.ArrayList.grow(Unknown Source)
at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(Unknown Source)
at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(Unknown Source)
at java.util.ArrayList.add(Unknown Source)
at OneMoreStudy.HeapOOM.main(HeapOOM.java:18)
歡迎關注微信公眾號：萬貓學社，每周一分享Java技術干貨。
方法區
方法區（Method Area）與Java堆一樣，是各個線程共享的內存區域，它用於存儲已被JVM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。
對於習慣在HotSpot虛擬機上開發和部署程序的開發者來說，很多人願意把方法區稱為“永久代”（Permanent Generation），本質上兩者並不等價，僅僅是因為HotSpot虛擬機的設計團隊選擇把GC分代收集擴展至方法區，或者說使用永久代來實現方法區而已。在JDK7的HotSpot中，已經把原本在永久代的字符串常量池移出，在JDK8的HotSpot中，已經沒有永久代的存在了，而是采用了新的內存空間：元空間（Metaspace）。
JVM規范對這個區域的限制非常寬松，除了和Java堆一樣不需要連續的內存和可以選擇固定大小或者可擴展外，還可以選擇不實現垃圾收集。相對而言，垃圾收集行為在這個區域是比較少出現的，但並不是數據進入了方法區就被一直存放。這個區域的內存回收目標主要是針對常量池的回收和對類型的卸載，一般來說這個區域的回收“成績”比較難以令人滿意，尤其是類型的卸載，條件相當苛刻，但是這部分區域的回收確實是有必要的。
根據Java虛擬機規范的規定，當方法區無法滿足內存分配需求時，將拋出OutOfMemoryError異常。再讓我們寫一段代碼，嘗試使其拋出該異常：
/*
* VM Args: -XX:PermSize=2M -XX:MaxPermSize=2M
*/
public class RuntimeConstantPoolOOM {
public static void main(String[] args) {
List<String> list = new ArrayList<String>();
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
System.out.println(i);
//將i轉化為字符串，
//並且調用intern()，把字符串放在運行時常量池
list.add(String.valueOf(i).intern());
}
}
}
在運行之前，設置JVM的參數為-XX:PermSize=2M -XX:MaxPermSize=2M。
在JDK6中運行拋出了老年代的OutOfMemoryError異常，結果如下：
......
35813
35814
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
at java.lang.String.intern(Native Method)
at OneMoreStudy.RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java:12)
在JDK7中運行，循環全部完畢后，也沒有拋出任何異常，結果如下：
......
99996
99997
99998
99999
同一段代碼，在不同版本JDK中的運行結果為什么是不同的呢？這是因為：在JDK6中，字符串常量池還在永久代中，而在JDK7中，已經把原本在永久代的字符串常量池移出了。
歡迎關注微信公眾號：萬貓學社，每周一分享Java技術干貨。
再再讓我們寫一段代碼，嘗試使其拋出該異常：
/*
* VM Args: -XX:PermSize=2M -XX:MaxPermSize=2M
*/
public class MethodAreaOOM {
static class OOMObject {
}
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 300; i++) {
System.out.println(i);
createNewClass();
}
}
private static void createNewClass() {
//這里使用了CGLIB，動態創建類，載入方法區
Enhancer enhancer = new Enhancer();
enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);
enhancer.setUseCache(false);
enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
@Override
public Object intercept(Object obj, Method method,
Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
return proxy.invokeSuper(obj, args);
}
});
enhancer.create();
}
}
在運行之前，設置JVM的參數為-XX:PermSize=2M -XX:MaxPermSize=2M。
在JDK6中運行拋出了老年代的OutOfMemoryError異常，，結果如下：
......
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
at java.lang.ClassLoader.defineClassCond(Unknown Source)
at java.lang.ClassLoader.defineClass(Unknown Source)
... 12 more
在JDK7中運行也拋出了OutOfMemoryError異常，結果如下：
Exception in thread "main"
Exception: java.lang.OutOfMemoryError thrown from the UncaughtExceptionHandler in thread "main"
在JDK8中運行，循環全部完畢后，也沒有拋出任何異常，結果如下：
......
298
299
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option PermSize=2M; support was removed in 8.0
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option MaxPermSize=2M; support was removed in 8.0
同一段代碼，在不同版本JDK中的運行結果為什么是不同的呢？這是因為：在JDK6和JDK7中，永久代仍然存在，而在JDK8中，已經沒有永久代的存在了，而是采用了新的內存空間：元空間，並且JVM參數PermSize和MaxPermSize也被移出了。
歡迎關注微信公眾號：萬貓學社，每周一分享Java技術干貨。
總結
在JVM所管理的內存中，大致分為：程序計數器、虛擬機棧、本地方法棧、堆和方法區。程序計數器是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。虛擬機棧是Java方法執行的內存模型，用於存儲局部變量表、操作數棧、動態鏈接、方法出口等信息。本地方法棧是本地方法執行的內存模型，和虛擬機棧非常相似，其區別是本地方法棧為JVM使用到的Native方法服務。堆是用於存儲對象實例的，是垃圾收集器管理的主要區域。方法區用於存儲已被JVM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。
歡迎關注微信公眾號：萬貓學社，每周一分享Java技術干貨。