读书笔记之二：堆、方法区、运行时常量池和直接内存
一、Java 堆
Java 堆（Heap）是 Java 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。这个内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。但随着 JIT 编译器的发展与逃逸技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些变化发生，所有的对象并不都是一定分配在堆上。
为了更好的回收内存和分配内存，从内存回收的角度来看，Java 堆还可以细分新生代和老年代，对于新生代和老年代虚拟机一般都采用不同的垃圾回收算法；从内存分配的角度来看，线程共享的 Java 堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。
根据 Java 虚拟机规范的规定，Java 堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过 –Xmx 和 –Xms 控制）。
如果在堆中没有完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出 OutOfMemoryError 异常。
二、方法区
方法区（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信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然 Java 虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做 Non-Heap（非堆）。
方法区与永久代：对于习惯在 HotSpot 虚拟机上开发、部署程序的人来说，一般称方法区为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为 HotSpot 虚拟机的设计团队选择把 GC 分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样 HotSpot 的垃圾收集器可以像管理 Java 堆一样管理这部分内存，能够省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。对于其他虚拟机（如 BEA JRockit、IBM J9等）来说是不存在永久代的概念的。原则上，如何实现方法区属于虚拟机实现细节，不受虚拟机规范约束，但是使用永久代来实现方法区，这样更容易遇到内存溢出问题（永久代有 -XX：MaxPermSize 的上限，J9 和 JRockit 只要没有触碰到进程可用内存的上限，例如 32 位系统中的 4GB，就不会出现问题），而且有极少数方法（例如 String.intern()）会因为这个原因导致不同虚拟机下有不同的表现。因此，在 JDK 1.8 中，HotSpot 虚拟机放弃永久代，采用元空间来实现方法区了。
异常状况：根据 Java 虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出 OutOfMemoryError 异常。
三、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（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。
常量池的动态性：运行时常量池相对于 Class 文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java 语言并不要求常量一定只有编译期才能产出，也就是并非预置入 Class 文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被利用的比较多的就是 String 类的 intern() 方法。
异常状况：当常量池中无法再申请到内存时会抛出 OutOfMemoryError 异常。
四、直接内存
直接内存（Direct Memory）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。
在 JDK 1.4 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IO方式，它可以使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java 堆中的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据。
显然，本机直接内存分配不会受到 Java 堆大小的限制，但是，会受到本机总内存大小及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置 –Xmx 等参数信息，但经常忽略直接内存，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。
