深入理解Java虚拟机（一）-jvm运行时数据区

前言

对于Java程序员来说，在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，不再需要为每一个new操作去写对应的delete/free代码，不容易出现内存泄漏和内存溢出问题，由虚拟机管理内存。不过，也正是Java程序员把内存控制的权力交给了Java虚拟机，一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题，如果不了解Java虚拟机是如何使用内存的，那么排查错误将会成为一项异常艰难的工作。

本文将从概念上介绍Java虚拟机内存的各个区域，以及各个区域的作用，服务对象以及可能出现的问题。

本系列文章是本人在阅读 深入理解Java虚拟机 第二版的学习笔记，如有错误之处恳请更正。

jvm运行时数据区域

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区域。这些区域都有各自的用途，已经创建和销毁时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而创建，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而创建和销毁。根据《Java虚拟机规范（Java SE 7）》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，如下图所示：

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，一个处理器都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，各个线程之间计数器互不影响，独立存储。

如果线程正在执行的是一个Java方法，那这个计数器记录的是正在执行的字节码指令的地址；如果正在执行的是Native方法，这个计数器值则为空（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。

程序计数器是线程私有的，它的生命周期与线程相同（随线程而生，随线程而灭）。

2、Java虚拟机栈
虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被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。每一个方法从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。

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常情况：
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；
如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的Java虚拟机都可以扩展），如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

与程序寄存器一样，java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。

3、本地方法栈
本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用是非常类似，它们之间的区别在于虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由的实现它。

与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

与虚拟机栈一样，本地方法栈也是线程私有的。

4、Java 堆（Java 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，在虚拟机启动的是创建。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以及数组都要在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称为“GC堆”（Garbage Collected Heap）。从内存回收的角度来看，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆还可以细分为：新生代和老年代；新生代又可以分为：Eden 空间、From Survivor空间、To Survivor空间。

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-Xms和-Xmx控制）。如果在堆中没有内存完成实例的分配，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（Method Area）和Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存放已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、JIT编译后的代码等数据。方法区在虚拟机启动的时候创建。

Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和堆一样不需要不连续的内存空间和可以固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。

根据Java虚拟机规范的规定，如果方法区的内存空间不能满足内存分配需要时，将抛出OutOfMemoryError异常。

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后进入方法区的运行时常量池中存放。

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。但是这部分内存也被频繁使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。

在JDK 1.4 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方法，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。

到这里我们大致知道了Java虚拟机的运行时区的概况，接下来会继续介绍更多JVM相关信息。