Java内存模型（运行时数据区域）

声明：本文摘抄自《深入理解Java虚拟机》一书，本文完全为自我学习，请感兴趣的同学购买正版，支持原创

  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。这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机的启动而存在，有的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 SE7 版）》的规定，Java 虚拟机包含以下几个运行时数据区域。

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1. 程序计数器

  程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，可以将它看做当前线程所执行的字节码的行号指示器。字节码解释器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。
  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，一个处理器都只会处理一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要一个独立的程序计数器。
  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字节码指令地址。如果线程正在执行的是Native方法，这个计数器值为空（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。

2. 虚拟机栈

  与程序计数器一样，Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）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都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
  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、long、float、double）和对象引用类型。
  在Java虚拟机规范中，对这个区域定义了两种异常类型：StackOverflowError和OutOfMemoryError。栈内存容量可以由-Xss参数设定。

3. 本地方法栈

  本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈发挥的作用相似，只不过Java虚拟机栈是为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈是为虚拟机使用到的Native方法服务。
  在Java虚拟机规范中，对这个区域定义了两种异常类型：StackOverflowError和OutOfMemoryError。

3. 堆

  Java堆（Heap）是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域用于存放类实例（对象）和数组。
（The Java Virtual Machine has a heap that is shared among all Java Virtual Machine threads. The heap is the run-time data area from which memory for all class instances and arrays is allocated.---Java虚拟机规范（Java SE7版））
  Java堆可以处于物理上不连续的内存空间，只要逻辑上是连续的即可。
  在Java虚拟机规范中，对这个区域定义了OutOfMemoryError异常类型。通过-Xms参数设置堆内存的最小值，-Xmx参数设置堆内存的最大值。通过参数-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError可以让虚拟机在出现内存溢出时Dump出当前的内存堆转储快照以便进行事后进行分析。

4. 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、即时编译后的代码等数据。Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，为了与Java堆区分开来，给它起了一个别名叫做Non-Heap(非堆)
  在Java虚拟机规范中，对这个区域定义了OutOfMemoryError异常类型。通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制方法区的大小，从而间接限制其中运行时常量池的容量。

5. 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信息、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项是常量池（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。
  运行时常量池相对与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在编译期才能产生，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，运行期间页可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用的比较多的是String类的intern方法。
  在Java虚拟机规范中，对这个区域定义了OutOfMemoryError异常类型。

6. 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。
  在JDK1.4中新加入的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显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。
  直接内存不受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及处理器寻址空间的限制。Java各个内存区域总和+直接内存大于物理内存限制时，也会导致内存动态扩展时OutOfMemoryError异常。

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Reference

Java虚拟机规范（Java SE7版）
Java虚拟机规范（Java SE8版）