运行时数据区域

Java虚拟机通过内存动态分配和垃圾收集技术来帮助程序员管理内存。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几个不同的数据区域，包括程序计数器、堆、虚拟机栈、本地方法栈和方法区。这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间。

程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间。

作用

程序计数器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中，字节码解释器工作时都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。

特性

• 程序计数器占用的内存空间很小。
• 每个线程有自己独立的程序计数器，程序计数器依赖用户线程的启动和结束而创建和销毁。
• 如果正在执行的是Native方法，程序计数器的值为空（Undefined）。
• 程序计数器是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的内存区域。

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Java虚拟机栈

虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型。

作用

每个方法被执行的时候都会创建一个栈帧（方法运行期的基本数据结构）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法被调用直至执行完成的过程都对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
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（reference类型）和returnAddress类型。其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1个。

特性

• 虚拟机栈是线程私有的，生命周期跟线程一样。
• 局部变量表所需的内存空间在编译期间分配完成，在方法运行期间，局部变量表所占的空间是完全确定的，大小不会改变。
• Java虚拟机规范对这个区域规定了两种异常状况：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，当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

JVM参数

• -Xss：设置每个线程的栈大小（-Xss128k）

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本地方法栈

作用

本地方法栈与虚拟机栈的作用非常相似，区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（即字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。

特性

• 虚拟机规范对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式和数据结构没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它，甚至可以把本地方法栈和虚拟机栈合二为一（如Sun HotSpot虚拟机）。
• 本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

JVM参数

• -Xoss：设置每个线程的本地方法栈大小（-Xoss128k）

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Java堆

对于大多数应用来说，Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。

作用

Java堆唯一的目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例和数组都在这里分配内存。

特性

• Java堆是所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。
• Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候又被称为“GC堆”（Garbage Collection Heap）。
• Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上连续即可。
• Java堆在实现时可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的。
• 如果Java堆中没有内存来完成实例分配，并且堆无法再扩展，就会抛出OutOfMemoryError异常（java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space）。

划分

• 从内存回收角度看，由于现在收集器基本都是采用分代收集算法，所以Java堆可以细分为新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。
• 从内存分配角度看，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）。

JVM参数

• -Xms：设置堆初始内存大小（-Xms256m）
• -Xmx：设置堆最大可用内存大小（-Xmx512m）
• -Xmn：设置新生代占用内存大小（-Xmn256m）
• -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError：让虚拟机在出现内存溢出异常时Dump出当前的内存堆转储快照

异常分析

Java堆的异常分析首先通过内存映像分析工具（如Visual VM、Eclipse Memory Analyzer）对dump出来的堆转储快照进行分析，确认内存中的对象是否是必要的，也就是先确定是出现了内存泄漏，还是内存溢出。如果是内存泄漏，就进一步通过工具查看泄漏对象到GC Roots的引用链，确认垃圾收集器无法自动回收泄漏对象的原因；如果不存在泄漏，就只能尝试调大堆内存和从代码上缩短对象的生命周期。

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方法区

方法区有个别名叫做Non-Heap（非堆）。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，所以很多人又称方法区为永久代。

作用

方法区用于存储已经被虚拟机加载的类信息（如类名、访问修饰符、字段描述、方法描述等）、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

特性

• 方法区也是各个线程共享的内存区域，在虚拟机启动时创建。
• 方法区和Java堆一样不需要连续的物理内存。
• 方法区也可以实现成固定大小或可扩展的。
• 方法区可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域比较少出现。这个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，一般来说，回收的成绩比较难以令人满意。
• 方法区无法满足内存分配需求时会抛出OutOfMemoryError异常（java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space）。

JVM参数

• -XX:PermSize：设置方法区初始内存大小（-XX:PermSize=128m）
• -XX:MaxPermSize：设置方法区最大可用内存大小（-XX:MaxPermSize=128m）

异常分析

方法区内存溢出常出现在以下的应用场景：

• 使用GCLib字节码增强技术动态产生大量Class。
• 产生大量的JSP文件。
• 基于OSGI的应用（即使是同一个类文件，被不同的加载器加载也会视为不同的类）。

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运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分

作用

Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等的描述信息外，还有一项信息是常量池，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存放在运行时常量池中。此外，一般来说，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

特性

• Java虚拟机规范对于运行时常量池没有做任何细节的要求，不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个内存区域。
• 运行时常量池另外一个重要特性是动态性。Java语言并不要求常量一定只能在编译期产生，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，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性用的比较多的是String类的intern()方法。

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直接内存

直接内存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地使用。

作用

JDK 1.4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堆里面的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避免在Java堆和Native堆中来回复制数据，显著提高性能。

特性

• 直接内存的分配不受Java堆大小的限制，会受到总内存大小和处理器寻址空间的限制。
• 直接内存也可能导致OutOfMemoryError异常。

JVM参数

• -XX:MaxDirectMemorySize：设置直接内存最大值（-XX:MaxDirectMemorySize=128m），这个参数的默认与Java堆的最大值一样。