Java运行时数据区域

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。

根据 《Java虚拟机规范》 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：

程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）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、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、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（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。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，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，称这类内存区域为 “线程私有”的内存 。

Java虚拟机栈

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：

每个方法被执行的时候，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、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它并不等同于对象本身，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者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）。

上述数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，64位长度的long和double类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。

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变量表的大小。

（一个变量槽所占用内存取决于具体虚拟机自行实现决定）。

在《Java虚拟机规范》中，对Java虚拟机栈规定了两类异常状况：

1. 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；（最常见的递归调用）
2. 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会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是相似的。

区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。

与虚拟机栈一样，本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆

Java堆（Java Heap）是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。

唯一目的就是存放对象实例，几乎所有对象实例都在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的内存区域。

从回收内存的角度看，现代垃圾收集器大部分都是基于分代收集理论设计，Java堆中经常会出现 “新生代”“老年代”“永久代”“Eden空间”“From Survivor空间”“To Survivor空间” 等名词。

从分配内存的角度看，所有线程共享的Java堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），以提升对象分配时的效率。将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的，也可以是可扩展的，当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过参数-Xmx和-Xms设定）。内存不够，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。

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，但在逻辑上它应该被视为连续的。

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，用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。

JDK 8以前，使用永久代来实现方法区的决定并不是一个好主意，这种设计导致了Java应用更容易遇到内存溢出的问题。

JDK 8，完全废弃了永久代的概念，改用在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者可扩展外，甚至还可以选择不实现垃圾收集。

根据《Java虚拟机规范》的规定，如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

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，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

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，但这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。

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方式，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。

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、SWAP分区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制，配置虚拟机参数时，会根据实际内存去设置-Xmx等参数信息，但经常忽略掉直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。