深入理解JVM内存模型
前言
对于计算机而言内存是非常重要的系统资源，是硬盘和CPU的中间仓库及桥梁，承载着操作系统和应用程序的实时运行，JVM内存布局规定了Java程序在运行过程中内存申请、分配、管理的策略，保证了JVM的高效稳定运行。不同的JVM对于内存的划分方式和管理机制存在着部分差异，本文将结合多个版本的JVM虚拟机规范，来探讨经典的JVM内存布局和不同版本之间内存模型的区别。
一、JVM基本概念
1、什么是jvm
JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。Java虚拟机包括一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆和一个存储方法域。 JVM屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码）,就可以在多种平台上不加修改地运行。JVM在执行字节码时，实际上最终还是把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。
2、jdk、jre、jvm之间的关系
JRE(JavaRuntimeEnvironment，Java运行环境)，也就是Java平台。所有的Java 程序都要在JRE下才能运行。普通用户只需要运行已开发好的java程序，安装JRE即可。
JDK(Java Development Kit)是程序开发者用来来编译、调试java程序用的开发工具包。JDK的工具也是Java程序，也需要JRE才能运行。为了保持JDK的独立性和完整性，在JDK的安装过程中，JRE也是 安装的一部分。所以，在JDK的安装目录下有一个名为jre的目录，用于存放JRE文件。
JVM(JavaVirtualMachine，Java虚拟机)是JRE的一部分。它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。JVM有自己完善的硬件架构，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。Java语言最重要的特点就是跨平台运行。使用JVM就是为了支持与操作系统无关，实现跨平台。
3、JVM原理
JVM是java的核心和基础，在java编译器和os平台之间的虚拟处理器。它是一种利用软件方法实现的抽象的计算机基于下层的操作系统和硬件平台，可以在上面执行java的字节码程序。
java编译器只要面向JVM，生成JVM能理解的代码或字节码文件。Java源文件经编译成字节码程序，通过JVM将每一条指令翻译成不同平台机器码，通过特定平台运行。
4.、JVM的体系结构
类装载器（ClassLoader）（用来装载.class文件）
执行引擎（执行字节码，或者执行本地方法）
运行时数据区（方法区、堆、java栈、PC寄存器、本地方法栈）
5. JVM的生命周期
（1） JVM实例对应了一个独立运行的java程序它是进程级别
a 启动。启动一个Java程序时，一个JVM实例就产生了，任何一个拥有public static void main(String[] args)函数的class都可以作为JVM实例运行的起点
b 运行。main()作为该程序初始线程的起点，任何其他线程均由该线程启动。JVM内部有两种线程：守护线程和非守护线程，main()属于非守护线程，守护线程通常由JVM自己使用，java程序也可以表明自己创建的线程是守护线程
c 消亡。当程序中的所有非守护线程都终止时，JVM才退出；若安全管理器允许，程序也可以使用Runtime类或者System.exit()来退出
（2）JVM执行引擎实例则对应了属于用户运行程序的线程，它属于守护线程级别
二、经典JVM内存模型
1、JVM内存模型
（1）经典JVM内存模型
（2）JVM运行时数据区域
2、堆（Heap）
堆是java虚拟机所管理的内存中最大的一块内存区域，也是被各个线程共享的内存区域，该内存区域存放了对象实例及数组（但不是所有的对象实例都在堆中）。其大小通过-Xms(最小值)和-Xmx(最大值)参数设置（最大最小值都要小于1G），前者为启动时申请的最小内存，默认为操作系统物理内存的1/64，后者为JVM可申请的最大内存,默认为物理内存的1/4，默认当空余堆内存小于40%时，JVM会增大堆内存到-Xmx指定的大小，可通过-XX:MinHeapFreeRation=来指定这个比列；当空余堆内存大于70%时，JVM会减小堆内存的大小到-Xms指定的大小，可通过XX:MaxHeapFreeRation=来指定这个比列，当然为了避免在运行时频繁调整Heap的大小，通常-Xms与-Xmx的值设成一样。堆内存 = 新生代+老年代+永久代。在我们垃圾回收的时候，我们往往将堆内存分成新生代和老年代（大小比例1：2），新生代中由Eden和Survivor0，Survivor1组成，三者的比例是8：1：1，新生代的回收机制采用标记清除和复制算法，在Minor GC的时候，我们都留一个存活区用来存放存活的对象，真正进行的区域是Eden+其中一个存活区，当我们的对象时长超过一定年龄时（默认15，可以通过参数设置），将会把对象放入老生代，当然大的对象会直接进入老生代，老年代采用的回收算法是标记整理算法。Java 堆不需要连续内存，并且可以通过动态增加其内存，增加失败会抛出 OutOfMemoryError 异常。
3、方法区（Method Area）
方法区也称"永久代"，它用于存储虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、是各个线程共享的内存区域。默认最小值为16MB，最大值为64MB（64位JVM由于指针膨胀，默认是85M），可以通过-XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 参数限制方法区的大小。它是一片连续的堆空间，永久代的垃圾收集是和老年代(old generation)捆绑在一起的，因此无论谁满了，都会触发永久代和老年代的垃圾收集。不过，一个明显的问题是，当JVM加载的类信息容量超过了参数-XX：MaxPermSize设定的值时，应用将会报OOM的错误。参数是通过-XX:PermSize和-XX：MaxPermSize来设定的
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，用于存放编译器生成的各种符号引用，这部分内容将在类加载后放到方法区的运行时常量池中。
从JDK7开始移除永久代（但并没有移除，还是存在），贮存在永久代的一部分数据已经转移到了Java Heap或者是Native Heap：符号引用(Symbols)转移到了native heap;字面量(interned strings)转移到了java heap;类的静态变量(class statics)转移到了java heap。从JDK8开始使用元空间（Metaspace），元空间的大小受本地内存限制，新参数（MaxMetaspaceSize）用于限制本地内存分配给类元数据的大小。如果没有指定这个参数，元空间会在运行时根据需要动态调整。
具体的可以查看这篇文章：https://blog.csdn.net/zhushuai1221/article/details/52122880 （Java 8: 从永久代（PermGen）到元空间（Metaspace））
4、虚拟机栈(JVM Stack)
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创建一个"栈帧",用于存储局部变量表(包括参数)、操作栈、方法出口等信息。每个方法被调用到执行完的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。声明周期与线程相同，是线程私有的。栈帧由三部分组成：局部变量区、操作数栈、帧数据区。局部变量区被组织为以一个字长为单位、从0开始计数的数组，和局部变量区一样，操作数栈也被组织成一个以字长为单位的数组。但和前者不同的是，它不是通过索引来访问的，而是通过入栈和出栈来访问的，可以看作为临时数据的存储区域。除了局部变量区和操作数栈外，java栈帧还需要一些数据来支持常量池解析、正常方法返回以及异常派发机制。这些数据都保存在java栈帧的帧数据区中。
局部变量表: 存放了编译器可知的各种基本数据类型、对象引用(引用指针，并非对象本身)，其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量的空间（solt），其余数据类型只占1个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量是完全确定的，在运行期间栈帧不会改变局部变量表的大小空间。
5、本地方法栈(Native Stack)
本地方法栈和Java虚拟机栈实现的功能与抛出异常几乎相同只不过虚拟机栈是为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务，本地方法区则为虚拟机使用到的Native方法服务。在JVM内存布局中，也是线程对象私有的,但是虚拟机栈“主内”，而本地方法栈“主外”，这个“内外”是针对JVM来说的，本地方法栈为Native方法服务线程开始调用本地方法时，会进入一个不再受JVM约束的世界，本地方法可以通过JNI(Java Native Interface)来访问虚拟机运行时的数据区，甚至可以调用寄存器，具有和JVM相同的能力和权限当大量本地方法出现时，势必会削弱JVM对系统的控制力。
对于内存不足的情况，本地方法栈还是会拋出native heap OutOfMemory，最著名的本地方法应该是System.currentTimeMillis()，JNI 使Java深度使用OS的特性功能，复用非Java代码但是在项目过程中，如果大量使用其他语言来实现JNI，就会丧失跨平台特性，威胁到程序运行的稳定性假如需要与本地代码交互，就可以用中间标准框架进行解耦，这样即使本地方法崩溃也不至于影响到JVM的稳定当然，如果要求极高的执行效率、偏底层的跨进程操作等，可以考虑设计为JNI调用方式。
6、程序计数器（Program Counter Register）
是最小的一块内存区域，它的作用是当前线程所执行的字节码的行号指示器，线程私有，它的生命周期与线程相同。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，如：分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复（多线程切换）等基础功能。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Natvie方法，这个计数器值则为空（undefined）。程序计数器中存储的数据所占空间的大小不会随程序的执行而发生改变，所以此区域不会出现OutOfMemoryError的情况。
7、直接内存
直接内存并不是虚拟机内存的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。jdk1.4中新加入的NIO，引入了通道与缓冲区的IO方式，它可以调用Native方法直接分配堆外内存，这个堆外内存就是本机内存，不会影响到堆内存的大小.
参考：https://blog.csdn.net/u011972171/article/details/80398771
8、JVM内存溢出的情况
三、不同版本JVM对比
1、jdk1.6、1.7、1.8内存结构对比
上图版面较大，建议单独查看图片。
