JVM内存结构

前言

对于C/C++用户，需要手动管理内存，但是对于Java程序员来说，在虚拟机自动内存机制的帮助下，不再需要为每一个new对象去写配对的delete/free代码，不容易出现内存泄漏和内存溢出的问题。由于Java程序员把内存控制的权力交给了Java虚拟机，一旦出现内存泄漏的问题和溢出的问题，如果不了解Java虚拟机是怎么工作的，那么排查错误将变得异常艰难。

运行时数据区域

Java虚拟机管理的内存包括以下几个运行时数据区域，如下图（此图针对java1.7及以下）

1.程序计数器（Program Counter Register）

程序计数器是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），字节码解释器工作时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，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“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Native方法，这个计数器值则为空。

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。

2.虚拟机栈（VM Stack）

与程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它不同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）

注意，虚拟机栈会出现以下两个异常:

• StackOverflowError: 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。

• OutOfMemoryError: 如果虚拟机栈可以动态扩展，当扩展时无法申请到足够的内存时就会会抛出OutOfMemoryError异常。

3.本地方法栈（Native Method Stack）

​ 本地方法栈和虚拟机栈所发挥的作用非常相似，只不过虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

4.堆（Heap）

对于大多数应用来说，Java堆（Java 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。此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。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”。如果从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。

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，就像我们的磁盘空间一样。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）。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

5.方法区（Method Area）

方法区和堆一样，是线程共享的的内存区域，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。方法区在HotSpot中又被称为"永久代"。

可利用参数 -XX:PermSize 和-XX:MaxPermSize分别 控制初始化方法区和最大方法区大小。

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。

注意：

在java1.8中，取消了方法区（永久代），并使用了一个元数据区域进行代替（Metaspace）

默认情况下元数据区域会根据使用情况动态调整，避免了在 1.7 中由于加载类过多从而出现java.lang.OutOfMemoryError: PermGen,可以使用以下参数：

• -XX:MetaspaceSize=N //设置Metaspace的初始化内存大小
• -XX:MaxMetaspaceSize=N //设置Metaspace的最大内存大小

6.运行时常量池（Runtime Constant Pool）

运行时常量池是方法区的一部分。Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有常量池信息（用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用）

既然运行时常量池时方法区的一部分，自然受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。

7.直接内存（Direct Memory）

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是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。

JDK1.4 中新加入的 NIO(New Input/Output) 类，引入了一种基于通道（Channel） 与缓存区（Buffer） 的 I/O 方式，它可以直接使用 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。这样就能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在 Java 堆和 Native 堆之间来回复制数据。

参考

• <<深入理解Java虚拟机>>

• Java内存区域划分