JVM内存结构概述

写在前面

基本问题:

介绍下 Java 内存区域（运行时数据区）。
JDK7 和 JDK8 在内存结构上有什么变化

拓展问题:

String 类和常量池
8种基本类型的包装类和常量池

概述

由于 java 语言天生自带内存自动管理机制，所以 java 程序开发时几乎不用考虑内存的回收，不再需要像 C/C++ 程序开发那样为一个 new 出来的对象去写对应的 delete/free 操作，也不容易出现内存泄露和内存溢出问题。也正是因为 java 程序将内存管理都交给 JVM 来处理，如果不了解虚拟机是怎样使用内存的，那么排查错误将会是一个非常艰巨的任务。

运行时数据区域

根据 Java 虚拟机规范的规定, Java 虚拟机(Java Virtual Machine, JVM)在执行 Java 程序的过程中会把它管理的内存划分成若干个不同的数据区域：程序计数器(Program Counter Register)、Java虚拟机栈(JVM Stack)、本地方法栈(Native Method Stack)、方法区(Method Area)、堆(Heap)。

程序计数器 (Program Counter Register)

程序计数器是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。字节码解释器工作时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、线程恢复等功能都需要依赖这个计数器来完成。

另外，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，各线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为 线程私有 的内存。

从上面的介绍中我们知道程序计数器主要有两个作用：

字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制，如：顺序执行、选择、循环、异常处理。
在多线程的情况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置，从而当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运行到哪儿了。

注意：程序计数器是唯一一个不会出现 OutOfMemoryError 的内存区域，它的生命周期随着线程的创建而创建，随着线程的结束而死亡。

Java虚拟机栈 (JVM Stack)

与程序计数器一样，Java 虚拟机栈 (Java Virtual Machine Stacks) 也是线程私有的，它的生命周期和线程相同，描述的是 Java 方法执行的内存模型: 每次方法调用的数据都是通过栈传递的。

Java 内存可以粗糙的区分为堆内存 (Heap) 和栈内存 (Stack) ，其中栈就是现在说的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。 (实际上，Java 虚拟机栈是由一个个栈帧组成，而每个栈帧中都拥有：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息。)

局部变量表主要存放了编译器可知的各种数据类型 (boolean、byte、char、short、int、float、long、double) 、对象引用 (reference 类型，它不同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）和 returnAddress 类型(指向了一条字节码指令的地址)。

returnAddress 类型的值是指向字节码的指针， 数据只存在于字节码层面，与编程语言无关，也就是说，我们在 Java 语言中是不会直接与 returnAddress 类型的数据打交道的

Java 虚拟机栈会出现两种异常：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。

StackOverFlowError： 若 Java 虚拟机栈的内存大小不允许动态扩展，那么当线程请求栈的深度超过当前 Java 虚拟机栈的最大深度的时候，就抛出 StackOverFlowError 异常。
OutOfMemoryError： 若 Java 虚拟机栈的内存大小允许动态扩展，且当线程请求栈时内存用完了，无法再动态扩展了，此时抛出 OutOfMemoryError 异常。

Java 虚拟机栈也是线程私有的，每个线程都有各自的 Java 虚拟机栈，而且随着线程的创建而创建，随着线程的死亡而死亡。

扩展：那么方法/函数如何调用？

Java 栈可用类比数据结构中栈，Java 栈中保存的主要内容是栈帧，每一次函数调用都会有一个对应的栈帧被压入 Java 栈，每一个函数调用结束后，都会有一个栈帧被弹出。

Java 方法有两种返回方式：

return;         //语句
throw Exception //抛出异常

不管哪种返回方式都会导致栈帧被弹出。

本地方法栈 (Native Method Stack)

本地方法栈和虚拟机栈所发挥的作用非常相似，区别是： 虚拟机栈为虚拟机执行 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的 Native 方法 (没有强制规范，比如通过 JNI 直接调用本地 C/C++ 库)服务。 虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、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实现它。甚至有的虚拟机（譬如Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

Navtive 方法

Java 通过 JNI 直接调用本地 C/C++ 库，可以认为 Native 方法相当于 C/C++ 暴露给 Java 的一个接口，Java 通过调用这个接口从而调用到 C/C++ 方法。当线程调用 Java 方法时，虚拟机会创建一个栈帧并压入 Java 虚拟机栈。然而当它调用的是 native 方法时，虚拟机会保持 Java 虚拟机栈不变，也不会向 Java 虚拟机栈中压入新的栈帧，虚拟机只是简单地动态连接并直接调用指定的 native 方法。

本地方法被执行的时候，在本地方法栈也会创建一个栈帧，用于存放该本地方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、出口信息。

方法执行完毕后相应的栈帧也会出栈并释放内存空间，也会出现 StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 两种异常。

Java 堆 (Java Heap)

Java 堆是 Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块，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。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在这里分配内存。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称作 ** GC 堆（Garbage Collected Heap）** 。从垃圾回收的角度，由于现在收集器基本都采用分代垃圾收集算法，所以 Java 堆还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点有：Eden 空间、From Survivor、To Survivor 空间等。进一步划分的目的是更好地回收内存，或者更快地分配内存。

上图所示的 eden 区、s0 区、s1 区都属于新生代，tentired 区属于老年代。大部分情况，对象都会首先在 Eden 区域分配，在一次新生代垃圾回收后，如果对象还存活，则会进入 s0 或者 s1，并且对象的年龄还会加 1(Eden 区->Survivor 区后对象的初始年龄变为 1)，当它的年龄增加到一定程度（默认为 15 岁），就会被晋升到老年代中。对象晋升到老年代的年龄阈值，可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。

方法区 (Method Area)

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，但是它却有一个别名叫做 Non-Heap（非堆），目的应该是与 Java 堆区分开来。

方法区也被称为永久代，其实从不同角度去理解虚拟机，因此很多人都会分不清方法区和永久代的关系。

方法区和永久代的关系

《 Java 虚拟机规范》只是规定了有方法区这么个概念和它的作用，并没有规定如何去实现它。那么，在不同的 JVM 上方法区的实现肯定是不同的了。 方法区和永久代的关系很像 Java 中接口和类的关系，类实现了接口，而永久代就是 HotSpot 虚拟机对虚拟机规范中方法区的一种实现方式。 也就是说，永久代是 HotSpot 的概念，方法区是 Java 虚拟机规范中的定义，是一种规范，而永久代是一种实现，一个是标准一个是实现，其他的虚拟机实现并没有永久代这一说法。

简而言之，方法区是一种规范，而永久代是方法区的一种实现，Java 规范了方法区的定义，但是没有规定方法区的实现。

常用参数

JDK 1.8 之前永久代还没被彻底移除的时候通常通过下面这些参数来调节方法区大小

-XX:PermSize=N //方法区 (永久代) 初始大小
-XX:MaxPermSize=N //方法区 (永久代) 最大大小,超过这个值将会抛出 OutOfMemoryError 异常:java.lang.OutOfMemoryError: PermGen

相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入方法区后就“永久存在”了。

JDK 1.8 的时候，方法区（HotSpot 的永久代）被彻底移除了（JDK1.7 就已经开始了，只是讲运行时常量池放入 Java 堆中，但没有完全去除），取而代之是元空间，元空间使用的是直接内存。

下面是一些常用参数：

-XX:MetaspaceSize=N //设置 Metaspace 的初始（和最小大小）
-XX:MaxMetaspaceSize=N //设置 Metaspace 的最大大小

与永久代很大的不同就是，如果不指定大小的话，随着更多类的创建，虚拟机会耗尽所有可用的系统内存。

为什么要将永久代 (PermGen) 替换为元空间 (MetaSpace) 呢?

整个永久代有一个 JVM 本身设置固定大小上限，无法进行调整，而元空间使用的是直接内存，受本机可用内存的限制，并且永远不会得到 java.lang.OutOfMemoryError。你可以使用 -XX：MaxMetaspaceSize 标志设置最大元空间大小，默认值为 unlimited，这意味着它只受系统内存的限制。-XX：MetaspaceSize 调整标志定义元空间的初始大小如果未指定此标志，则 Metaspace 将根据运行时的应用程序需求动态地重新调整大小。

当然这只是其中一个原因，还有很多底层的原因，这里就不提了。

运行时常量池 (Runtime Constant Pool)

运行时常量池是方法区的一部分。
方法区存着类的信息，常量和静态变量，即类被编译后的数据。这个说法其实是没问题的，只是太笼统了。更加详细一点的说法是方法区里存放着类的版本，字段，方法，接口和常量池。常量池用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。

既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出 OutOfMemoryError 异常。

JDK1.7 及之后版本的 JVM 已经将运行时常量池从方法区中移了出来，在 Java 堆（Heap）中开辟了一块区域存放运行时常量池。

直接内存 (Direct Memory)

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是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。而且也可能导致 OutOfMemoryError 异常出现，即堆外内存溢出。

java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory
io.netty.util.internal.OutOfDirectMemoryError

堆外内存溢出原因很多，这里不仔细分析原因。

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。

本机直接内存的分配不会受到 Java 堆的限制，但是，既然是内存就会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。

总结

这里对运行时区域可能出现的内存溢出情况和主要原因做一个小结。

运行时区域	线程机制	异常	主要原因
程序计数器	线程私有	无	无
虚拟机栈	线程私有	StackOverflowError OutOfMemoryError	StackOverflowError：线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度 OutOfMemoryError：虚拟机在扩展栈时无法申请足够的内存空间
本地方法栈	线程私有	StackOverflowError OutOfMemoryError	StackOverflowError：线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度 OutOfMemoryError：虚拟机在扩展栈时无法申请足够的内存空间
堆	线程共享	OutOfMemoryError	对象数量到达最大堆的容量，内存泄漏、内存溢出
方法区	线程共享	OutOfMemoryError	反射，动态代理：CGLib、JSP、OSGI等
运行时常量池	线程共享	OutOfMemoryError	反射，动态代理：CGLib、JSP、OSGI等

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