JVM学习笔记——Java内存区域

本系列的学习笔记是基于学习《深入理解Java虚拟机 第2版》（周志明 著）的，为了便于随时复习和查漏补缺，所以我将书本的内容进行整理和进一步归纳。

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，这些区域有着各自的用途，以及创建和被销毁的时间，有的区域区域随着虚拟机进程的启动而存在，我们称为“由所有线程共享的数据区”，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。
根据《Java虚拟机规范（Java SE 7版）》的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域，如图示。

1.1 程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作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，字节码解释器工作时就是通过该表这个计数器的值来选取吓一跳需要执行的字节码指令，常见的分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等功能都需要依赖这个计数器来完成。
为什么这块内存区域是线程隔离的呢？
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。
所以，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）都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能回复到正确的执行位置，每个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，所以这类内存被称为“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。Native方法是指Java调用非Java语言实现的接口。

1.2 Java虚拟机栈

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：每个方法在执行的同时会创建一个栈帧（Stack Frame），栈帧是方法运行时的基础数据结构，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等。每一个方法从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的入栈到出栈的过程。
通常情况下Java内存区域被划分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack）两部分，而所指的栈就是虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中的局部变量表部分。
局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型、对象引用（reference类型，不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）
参考《Java虚拟机规范 Java SE7版》的描述来看，局部变量表中最小的存储单元是Slot（变量槽），一个Slot可以存储一个类型为boolean、byte、char、short、float、reference以及returnAddress小于或等于32bit的数值，2个Slot可以存储一个类型为long或double的64bit数值。而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，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。
在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：
1. 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；
2. 如果虚拟机栈可以动态扩展，但扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

1.3本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈发挥的作用的非常相似的，它们的区别在于虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务。与虚拟机栈一样，同样会抛出上面两个异常。

1.4 Java堆

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虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配（The heap is the runtime data area from which memory for all class instances and arrays is allocated）。
但是随着JIT编译器（Just-In-Time Compiler）的发展和逃逸分析技术的逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙变化的发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐不再那么“绝对了”了。
Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被成为“GC堆”。
从内存回收的角度来看，由于现在的收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆
中还可以分为：新生代和老年代。再细致分新生代还可以分为Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间。
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），不过无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。
根据Java虚拟机规范中的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只有逻辑上是连续的即可。在实现时，既可以指定固定大小，也可以是可扩展的。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。

1.5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，但它还有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。
对于习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序的开发者来说，很多人更愿意把方法区称为“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，省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。
Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。该区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。
根据Java虚拟机规范中的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

1.6 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进入方法区的运行时常量池中存放。
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生，也就是并非预置人Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行时也可能将新的常量放入池中，较为常见的是String类的intern()方法。
既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

1.7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。但这部分内存也被频繁的使用，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，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，本机直接内存的分配不受Java堆大小的限制，但是，既然是内存，肯定还是会受到本机总内存大小的限制，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，从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

以上就是Java虚拟机内存中的运行时数据区域的具体划分。