JVM运行时数据区域

前言：

周志明老师的《深入理解Java虚拟机》真的是一本特别好的书，看了有一小半，我决定从头开始做读书笔记，看完每一章都会按自己的总结和理解做下笔记，直到这本书读完。

Java与C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的“高墙”，墙外面的人想进去，墙里面的人却想出来。

运行时数据区域：

这张图几乎每一个使用JVM语言的程序员都见过，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：

JVM运行时数据区域.jpeg

1.程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，他可以看作是当前线程所执行的字节码行号指示器。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，在任何一个确定时刻一个处理器（对于多核处理器指的是一个内核）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，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存（对应上图 线程独占区）

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虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Native方法，这个计数器的值为空（Undefined）。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机中没有规定任何OOM情况的区域。

2.Java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：方法运行时的基础数据结构）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机中入栈到出栈的过程。

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、float、long、double）、对象引用和returnAddress（指向了一条字节码指令的地址）。局部变量表所需要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变量表的大小

在Java虚拟机规范中，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；如果虚拟机栈动态拓展，拓展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常

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非常相似，他们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到Native方法服务。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

4.Java堆

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，在虚拟机启动时创建。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都在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集管理主要区域，因此很多时候也被称为“GC堆”（幸好国内没翻译成“垃圾堆”）。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堆中还可以细分：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间。从内存分配角度来看，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。但是 无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的仍是对象实例，进一步划分是为了更好地回收内存，或者更快的分配内存。

如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法在拓展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

5.方法区

方法区与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、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是他却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该与Java堆区分开来。

Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，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者可拓展外，还可以选择不实现垃圾收集。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。

根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

5.1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。

Java虚拟机对Class文件每一部分的格式都有严格规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上才会被虚拟机认可、装载和执行，但对于运行时常量池，Java虚拟机规范没有做任何细节要求，不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需求来实现这个区域。

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,这种特性比如String类的intern()方法。

当运行时常量池无法再申请足够内存时，将抛出OutOfMemoryError异常。

5.1.1 看看String的intern()是啥玩意

/**
     * Returns a canonical representation for the string object.
     * 

     * A pool of strings, initially empty, is maintained privately by the
     * class {@code String}.
     * 

     * When the intern method is invoked, if the pool already contains a
     * string equal to this {@code String} object as determined by
     * the {@link #equals(Object)} method, then the string from the pool is
     * returned. Otherwise, this {@code String} object is added to the
     * pool and a reference to this {@code String} object is returned.
     * 

     * It follows that for any two strings {@code s} and {@code t},
     * {@code s.intern() == t.intern()} is {@code true}
     * if and only if {@code s.equals(t)} is {@code true}.
     * 

     * All literal strings and string-valued constant expressions are
     * interned. String literals are defined in section 3.10.5 of the
     * The Java™ Language Specification.
     *
     * @return  a string that has the same contents as this string, but is
     *          guaranteed to be from a pool of unique strings.
     */
    // BEGIN Android-changed: Annotate native method as @FastNative.
    @FastNative
    // END Android-changed: Annotate native method as @FastNative.
    public native String intern();

翻译了一下意思大概是这样的：
意思是说当调用 intern 方法时，如果池已经包含一个等于此 String 对象的字符串（该对象由 equals(Object) 方法确定），则返回池中的字符串。否则，将此 String 对象添加到池中（书中说的动态添加），并且返回此 String 对象的引用。
jdk1.7中，只是会把首次遇到的字符串实例的引用添加到常量池中（没有复制），并返回此引用。

6.直接内存

直接内存并不是虚拟机运行数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分为区域也可能造成OOM。

NIO是基于通道和缓冲区的I/O方式，他可以使用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。因此避免了Java堆和Native堆中来回复制数据。

显然本机直接内存不会受到Java堆大小限制，但是既然是内存，肯定还是会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，经常忽略直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制，从而这导致动态拓展时出现OOM。