JVM内存逻辑结构

JVM（Java Virtual Machine），即Java虚拟机。JVM是一种用于计算机设备的规范，它是虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能实现的。因此，能在JVM中执行的并不一定是Java语言的编译后字节码，也可以是其它语言，比如Jyphon、JRuby以及Groovy等。

下图为Java程序员最为关注JVM的内存模型图：

可以看出，JVM大致可以分为以下几个内存区域：

1. 程序计数器
2. Java栈（STACK）
3. 本地方法栈
4. Java堆（Heap）
5. 方法区

Java文件经过编译后生成字节码文件，在应用启动后，由类加载器将这些字节码文件加载至JVM中。

程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，用于当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机概念模型中（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现），字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来获取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程回复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

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，在任何一个确定给定时刻，一个处理器（对于多核处理器按理说是一个内核）只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能回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，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，这种内存区域为“线程私有”的内存。

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执行的地址；如果正在执行的Natvie方法，这个计数器的值则为空（Undefined）。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError清空的区域。

Java虚拟机栈

与程序计数器一样，Java虚拟机栈也线程私有的。它的生命周期和线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量、操作站、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机中从入栈到出栈的过程。

经常有人把Java内存分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种分发较比粗糙，Java内存区域的划分实际上远比这复杂。这种划分方式的流行之恩给你说明大多数程序员最关注的、与对象内存分配最密切的内存区域是这两块。其中栈就是指Java虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中的局部变量表部分。

局部变量表存放了编译器可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、引用对象（reference类型，它不等同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能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（指向了一条字节码执行的地址）。

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，其余的数据类型只占用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情况：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（当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

在这个内存区域，极易造成StackOverFlowError的代码是死循环或者死递归。由于递归而造成栈深度大于虚拟机允许深度的代码，时常发生。

本地方法栈

本地方法栈和虚拟机栈所发挥的作用非常相似，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用的Native方法服务。

Java堆

对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java迅疾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。这一点在Java虚拟机规范中描述是：所有的对象实例及数组都要在堆上分配，但随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都在堆上也渐渐变得不那么绝对了。

根据虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像微妙的磁盘空间一样。在实现中，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法在扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

通俗的理解，在Java程序运行期间，所有内创建的对象实例及其数据，都被存放在Java堆中。当程序中过多的创建对象，同时这些对象又无法被GC回收时，就容易抛出OutOfMemoryError异常。

实际上，对于一条语句Object obj = new Object();，所声明的变量obj是一个引用类型，这个数据被保存在Java虚拟机栈；而new Object()则生成一个对象，这个对象是Object类的一个实例，所以被存放在Java堆上。同时，栈中的obj指向堆中的对象实例。当将obj赋值给另一个对象引用时，比如tmp = obj，则tmp和obj同时指向对象实例。此时如果通过其中任何一个引用改变对象实例的数据，由于对另一个引用的操作实际就是对对象实例的操作，两个引用类型都指向这个实例，所以两个引用类型的操作会同时作用于另一个引用类型。

方法区

方法区主要用于存储已被加载的类信息、常量、静态常量、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，但它还有另外一个名字——Non-Heap（非堆），以便其与Java堆区分开来。

Java虚拟机规范对这个区域限制非常宽松，除和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者扩展外，还可以不实现垃圾回收。相对而言，垃圾回收在这个区域是较少出现的。

根据Java虚拟机规范，当无法满足内存分配需求时，将会抛出OutOfMemoryError异常。个人认为，方法区主要用于存储被加载的类信息及常量、静态常量或者 即时编译器编译后的代码等数据，因此如果抛出内存溢出异常，则一定与这些数据的大小多少有关。以往开发经验来看，由于现在大多Web项目都会使用各种各样的Jar包，当引入Jar包过多，引入类过多，内存有可能不够用，就会抛出内存溢出异常。另外，以Hibernate为例的框架，会生成很多临时类，而这些类的信息也将存储在方法区，同样有可能引发内存溢出异常。

运行时 常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了版本、字段、方法、接口等描述信息外，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，这部分内容将在类被加载后，存放在方法区的运行时常量池。

运行时常量池相对于Class文件常量池的一个重要特征就是具备动态性，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，运行期间也可能将心的常量放入常量池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法。

当String类的实例对象调用intern()方法时，如果常量池没有该字符串，就会将该字符串放入常量池。因此，如果不停的调用该方法，创建不同的字符串到常量池，有可能造成方法区内存溢出（OutOfMemoryError）异常。

[1] 周志明. 深入理解Java虚拟机——JVM高级特性与最佳实践[M]. 第一版. 北京:机械工业出版社, 2011年9月:24-42.

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