Java运行时数据区域

1、Java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。

1. 程序计数器
2. Java虚拟机栈
3. 本地方法栈
4. Java堆
5. 方法区
6. 运行时常量池
7. 直接内存
   

1.1、程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存区域，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，它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等都是依托程序计数器完成的。也就是说处理器在时间片切换时，为了线程切换后能恢复到（找到）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，各条线程之间互不影响，独立存储，线程私有的内存

1.2 Java虚拟机栈

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）也是线程私有的，生命周期与线程相同；

虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：每个方法在执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表，操作数帧，动态链接，方法出口等信息。

一个方法的调用到执行结束，就对应着一个栈帧在虚拟机中从入栈到出栈的过程。

• 局部变量表存放的是编译期可知的各种Java虚拟机基本类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象的引用（reference类型，指的是对象地址的引用或句柄或其他于此对象相关的地址）、returnAddress（指向了一条字节码指令的地址）。
• 这个数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽(Slot)表示，64位的长度（long，double）占用2个变量槽，其余都是1个。
• 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，这个方法需要在栈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面量表的大小(大小指的是变量槽的数量)
• 虚拟机一个变量槽占用的比特（例如32比特，64比特或者更大），是由具体的虚拟机决定的

《Java虚拟机规范》中这个内存区域规定了两类异常状况：

• 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，抛出StackOverflowError
  • 每次方法调用都会有一个栈帧压入虚拟机栈。操作系统给JVM分配的内存是有限的，JVM分配给“虚拟机栈”的内存是有限的。 如果方法调用过多，导致虚拟机栈满了就会溢出。 这里栈深度就是指栈帧的数量
• 如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存空间会抛出OutOfMemoryError
• HotSpot虚拟机栈容量不支持动态扩展，所以只要线程申请到栈空间就不会出现OOM，如果申请失败则会出现OOM异常

1.3、本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stack）：本地方法栈服务的对象是JVM执行的native方法，而虚拟机栈服务的是JVM执行的java方法。

• Native Method就是一个java调用非java代码的接口。该方法的实现由非java语言实现，比如C。
  • 例如Object类中
    

1.4、Java堆

Java堆（Java Heap）是虚拟机所管理内存中最大的一块。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，用于存放对象实例。Java堆是垃圾回收器管理的内存区域也称为GC堆。

Java堆可以处于物理上不连续的内存区域，但在逻辑上应该被视为连续的，但对于大对象（典型的如数组对象），多数虚拟机实现处于简单实现，存储高效的考虑，很可能会要求连续的内存空间

Java虚拟机的堆内存分为新生代、老年代、永久代、Eden、Survivor，在当前的HotSpot中上述提法就有很多需要商榷的地方。Java堆细分的目的只是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存

Java堆既可以被实现成固定大小，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（通过 -Xmx 和 -Xms 设定），如果Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展，Java虚拟机将会抛出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，用于存储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缓存等数据

JDK 8 HotSpot完全放弃了永久代的概念，改用本地内存中实现的元空间（Meta-space）来代替

《Java虚拟机规范》对方法区的约束是非常宽松的，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可扩展外，甚至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的确比较少出现，，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这区域的内存回收目标最主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，但是回收效果比较难令人满意，尤其是类型的卸载。

方法区无法满足新的内存分配需求时将会抛出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表（Constant Pool Table）用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，在类加载后存放到方法区运行常量池中，还会把由符号引用翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中

• 字面量：等号右边的八种基本类型的值、字符串值、声明为final的常量的值。

  //a为常量，10为字面量
  final int a = 10; 
  // b 为变量，hello world！为字面量
  string b = "hello world！"; 
  

• 符号引用：可以是任意类型的字面量。只要能无歧义的定位到目标。在编译期间由于暂时不知道类的直接引用，因此先使用符号引用代替。最终还是会转换为直接引用访问目标。符号引用就是某个变量，在编译的时候，无法确定其内存地址。

  String str = "Hello World!"
  // str在编译的时候就会编译为符号引用。
  System.out.println(str);
  

• 直接引用：程序运行时可以定位到引用的东西(类, 对象, 变量或者方法等)的地址

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，这种特性被开发人员利用比较多的就是String类的intern()方法。

• intren方法：通俗的讲，是将字符串放入常量池中。

  /**
  * 表达式右边是纯字符串常量，则存放在常量池中
  * 表达式右边存在字符串引用，则存放在堆中
  */
  public class test {
      public static void main(String[] args) {
          String s1="aaa";
          String s2="bbb";
          String s3="aaabbb";
          String s4=s1+s2;
          String s5="aaa"+"bbb";
          String s6=new String("aaabbb");
          // false
          System.out.println(s3==s4);
          // true
          System.out.println(s3==s4.intern());
          // true
          System.out.println(s3==s5);
          // false
          System.out.println(s3==s6);
          // true
          System.out.println(s3==s6.intern());
      }
  }
  

  说明：s1,s2,s3,s5均存放在常量池中，s4，s6存放在堆中。

当常量池无法再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，但是这部分内存也被频繁的使用，也可能导致OutOfMemoryError异常

JDK1.4 中新加入的 NIO(New Input/Output) 类，引入了一种基于通道（Channel） 与缓存区（Buffer） 的 I/O 方式，它可以直接使用 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。这样就能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在 Java 堆和 Native 堆之间来回复制数据。

显然，本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是，既然是内存，则肯定还是会受到本机总内存(包括物理内存、及SWAP区或者分页文件)的大小及处理器寻址空间的限制。服务器管理员配置虚拟机参数时，一般会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常会忽略掉直接内存，使得各个内存区域的总和大于物理内存限制(包括物理 上的和操作系统 级的限制)，从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

参考《深入理解Java虚拟机》-周志明