《深入理解Java虚拟机》学习笔记（一）（Java内存区域的划分）

前言

本文章部分引用自

• 知乎胖胖的回答
• 可文分身的
• liuxiaopeng的博客

Java内存区域

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域，包括程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈、Java堆和方法区。其中程序计数器、Java虚拟机栈和本地方法栈是线程隔离的数据区，方法区和Java堆是线程共享的数据区。

**图1 Java内存区域划分示意图**

更进一步，Java内存最主要的三个部分主要是堆、栈和方法区，三个部分结构示意图如下：

图2 Java内存主要结果示意图

可以看到，堆空间分为新生代和老年代。新生代又分为Eden、From Survivor 0， To Survivor 1。方法区则被称为永久代 （JDK1.8，HotSpot已经将永久代给移除，用元空间（MetaSpace）作为对方法区的实现。在JDK1.7时，就已经将部分数据（如字符串常量池）转移到堆中了。两者的比较主要如下：

• 永久代在虚拟机内存中，元空间使用本地内存
• 永久代有规定空间最大值，元空间自增长（达到操作系统底层提供的大小）
• 两者都包含类的实例，都可能会产生类加载器泄漏
  ）。

程序计数器

• 功能：用来指示当前线程执行的字节码指令行号，字节码解释器通过改变程序计数器来选取下一条需要执行的字节码指令
• Java虚拟机多线程的实现：通过线程轮流切换并分配处理器执行时间，一个处理器（或内核）只会执行一条线程中的指令
• 线程执行的方式有两种
  • Java方法：程序计数器记录的值是正在执行的虚拟机字节码指令地址
  • Native（本地）方法：值为空
• 程序计数器是唯一一个没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域

Java虚拟机栈

• 功能：存储和执行相关信息（每个线程中的方法执行，都会在栈中生成一个栈帧）
• 栈帧的组成：
  • 局部变量表
    • 各种基本数据类型
    • 对象引用（reference类型，可能是引用指针、对象句柄或相关位置）
    • returnAddress类型（指向一条字节码指令地址）
  • 操作数栈
  • 动态链接
  • 方法出口等
• 每个方法从被调用到运行结束，都对应栈帧从入栈到出栈过程
• 栈一般讲的是虚拟机栈，或其局部变量表部分
• 64位长度long和double占用2个局部变量空间，其余的基本数据类型占1个
• 局部变量表空间在编译期间完成分配，方法运行期间不会改变局部变量表的大小
• 异常发生情况：
  • 线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，抛出StackOverflowError
  • 如果虚拟机栈可扩展，如扩展时无法申请到足够内存，抛出OutOfMemoryError

本地方法栈

• 功能：Java虚拟机栈执行Java方法服务，本地方法栈则为Native方法服务

Java堆

• 功能：存放对象实例和数组，几乎所有对象实例在此分配内存，是GC（垃圾回收）管理的主要区域
• 对象的分类（部分）
  • 新生代
    • Eden（伊甸）
    • From Survivor
    • To Survivor
  • 老年代
• 堆中没有内存完成实例分配，且堆无法扩展时，抛出OutOfMemoryError

方法区

• 功能：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
• HotSpot虚拟机通常将它和“永久代”联系起来，该区域一般不发生GC
• 当方法区无法满足内存分配需求时，抛出OutOfMemoryError

运行时常量池

• 是方法区的一部分，Class类中的常量池将在类加载后进入方法区的运行时常量池存放，有时也会存储直接引用
• 用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用
• String类的intern()方法在运行期间也可能将新常量放入池中
• 当无法申请到内存时，会抛出OutOfMemoryError

直接内存

• 并不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，但也可能发生OutOfMemoryError
• 与NIO中的Channel和Buffer有关，采用Native方法直接分配堆外内存
• 通过存储在Java堆内存中DirectByteBuffer对象中的引用进行I/O操作

异常的发生情况

• OutOfMemoryError异常
  • 程序计数器：无
  • Java虚拟机栈： 如果虚拟机栈可扩展，扩展时无法申请到足够内存
  • 本地方法栈：与Java虚拟机栈相同
  • Java堆：堆中没有内存完成实例分配，并且堆无法再进行扩展
  • 方法区（运行时常量池）：方法区无法满足内存分配需求（常量池无法申请到内存）
  • 直接内存：内存区域总和大于物理内存总和
• StackOverflowError异常
  • 程序计数器：无
  • Java虚拟机栈：线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度
  • 本地方法栈：与Java虚拟机栈相同
  • Java堆：无
  • 方法区：无
  • 直接内存：无