JAVA虚拟机运行时数据区

概述

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而一直存在，有些区域则是以来用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规则》的规定，Java虚拟机所管理的内存将包括一下几个运行时数据区域。

程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存区域，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在Java虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令。没条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这块区域为：线程私有的内存。如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是本地（Native）方法，这个计数器值则为空（Undefined）。此内存区域是唯一一个在《Java虚拟机规范》中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

Java虚拟机栈

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出入口等信息。每个方法被调用直至完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机中从入栈到出栈的过程。而”栈“通常就是指虚拟机栈中局部变量表部分。在《Java虚拟机规范》中，对这个内存区域规定了两类异常情况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛处OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈这是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈拓展失败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆

对于Java应用程序来说，Java堆（Java Heap）是虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，Java世界里”几乎“所有的对象实例都在这里分配内存。Java堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可拓展的，不过当前主流的Java虚拟机都是按照可拓展来实现的（通过参数-Xmx和-Xms设定）。如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再拓展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

方法去（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译后的代码缓存数据。虽然《Java虚拟机规范》中把方法去描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫作 ”非堆“（Non-Heap），目的是与Java堆区分开来。
说到方法区，不得不提一下”永久代“这个概念，尤其实在JDK8以前，许多人将”永久代“和方法区混为一谈。本质上这两者并不是等价的，因为仅仅是当时的HotSpot虚拟机设计团队选择把搜集器的分代设计拓展至方法去，或者说使用永久代来实现方法去而已。考虑到HotSpot未来的发展，在JDK6的时候HotSpot开发团队就有放弃永久代，逐步改为采用本地内存（Native Memory）来实现方法区的计划了，到了JDK7的Hotspot，已经把原来放在永久代的字符串常量池、静态变量等移至Java堆中，而到JDK8，终于完全废弃了永久代的概念，改用与JRockit、J9一样在本地内存中实现的元空间（Meta-space）来替代，把JDK7中永久代还剩余的内容（主要是类型信息）全部移到元空间中。根据《Java虚拟机规范》的规定，如果方法去无法满足新的内存分配需求是，将抛出OutOfMemoryError异常

运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表（Constant Pool Table），用与存放编译期生成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。既然运行时常量池是方法区的一部分，自然收到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

直接内存

直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是《Java虚拟机规范》中定义的内存区域。但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。在JDK1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，他可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。显然，本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是，既然是内存，则肯定还是会收到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制，一般服务器管理员配置虚拟机参数时，会根据实际内存区设置-Xmx等参数信息，但经常忽略掉直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。