前言

📫作者简介：小明java问道之路，专注于研究计算机底层/Java/Liunx 内核，就职于大型金融公司后端高级工程师，擅长交易领域的高安全/可用/并发/性能的架构设计📫 

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本文导读

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 本文详细的讲述了 Java 虚拟机运行时数据区的程序计数器、虚拟机栈，本地方法栈，方法区，堆，常量池，以及直接内存(堆外内存)，对各个区域的作用，服务对象以及其中可能产生的问题展开讨论，本篇篇幅较长，适合点赞+收藏。有什么错误希望大家直接指出~

JVM 基础知识

JVM 全称是 Java Virtual Machine，也就是我们耳熟能详的 Java 虚拟机。它能识别 .class 后缀的文件，并且能够解析它的指令，最终调用操作系统上的函数，完成我们想要的操作。

JVM 是一个庞大的知识体系，可以从内存结构，内存分配策略，垃圾回收，性能监控工具，类文件结构，类加载机制，字节码执行引擎，JVM 自身优化技术，程序性能调优几个方面去学习。

内存结构是了解 JVM 核心也是前提，同时 JVM  是一个虚拟化的操作系统，所以除了要虚拟指令之外，最重要的一个事情就是需要虚拟化内存。

JVM 内存区域

这里讲解的是 JVM 内存的各个区域，重点讲解这些区域的作用，服务对象以及其中可能产生的问题。

宏观上 JVM 处于图片中虚线的位置，本篇重点讲解 JVM 运行时数据区

定义：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，该区域内存主要分为堆、程序计数器、方法区、虚拟机栈和本地方法栈等。同时按照与线程的关系也可以这么划分区域：线程私有区域：一个线程拥有单独的一份内存区域。线程共享区域：被所有线程共享，且只有一份。这里还有一个直接内存，这个虽然不是运行时数据区的一部分，但是会被频繁使用。你可以理解成没有被虚拟机化的操作系统上的其他内存（比如操作系统上有 8G 内存，被 JVM 虚拟化了 3G，那么还剩余 5G， JVM 是借助一些工具使用这 5G 内存的，这个内存部分称之为直接内存）

程序计数器（Program Counter Register）

程序计数器是一块很小的内存空间，是当前线程执行的字节码的行号指示器，各线程之间独立存储，互不影响。主要用来记录各个线程执行的字节码的地址，例如，分支、循环、跳转、异常、线程恢复等都依赖于计数器。由于 Java 是多线程语言，当执行的线程数量超过 CPU 核数时，线程之间会根据时间片轮询争夺 CPU 资源。如果一个线程的时间片用完了，或者是其它原因导致这个线程的 CPU 资源被提前抢夺，那么这个退出的线程就需要单独的一个程序计数器，来记录下一条运行的指令。因为 JVM 是虚拟机，内部有完整的指令与执行的一套流程，所以在运行 Java 方法的时候需要使用程序计数器（记录字节码执行的地址或行号），如果是遇到本地方法（native 方法），这个方法不是 JVM 来具体执行，所以程序计数器不需要记录了，这个是因为在操作系统层面也有一个程序计数器，这个会记录本地代码的执行的地址，所以在执行 native 方法时，JVM 中程序计数器的值为空(Undefined)。另外程序计数器也是 JVM 中唯一不会 OOM(OutOfMemory)的内存区域。

虚拟机栈（VM Stack）

虚拟机栈是线程运行 java 方法所需的数据，指令、返回地址。栈的数据结构是先进后出(FILO)的数据结构，虚拟机栈的作用，在 JVM 运行过程中存储当前线程运行方法所需的数据，指令、返回地址 。虚拟机栈是基于线程的：哪怕你只有一个 main() 方法，也是以线程的方式运行的。在线程的生命周期中，参与计算的数据会频繁地入栈和出栈，栈的生命周期是和线程一样的。虚拟机栈的大小缺省为 1M，可用参数 –Xss 调整大小，例如-Xss256k。参数官方文档（JDK1.8）：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html

栈帧：在每个 Java 方法被调用的时候，都会创建一个栈帧，并入栈。一旦方法完成相应的调用，则出栈。

栈帧大体都包含四个区域：局部变量表、操作数栈、动态连接、返回地址一、局部变量表：顾名思义就是局部变量的表，用于存放我们的局部变量的（方法中的变量）。首先它是一个 32 位的长度，主要存放我们的 Java 的八大基础数据类型，一般 32 位就可以存放下，如果是 64 位的就使用高低位占用两个也可以存放下，如果是局部的一些对象，比如我们的 Object 对象，我们只需要存放它的一个引用地址即可。局部变量表在编译期间完成分配，方法在栈帧中分配多大内存是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。二、操作数据栈：存放 java 方法执行的操作数的，它就是一个栈，先进后出的栈结构，操作数栈，就是用来操作的，操作的的元素可以是任意的 java 数据类型，所以我们知道一个方法刚刚开始的时候，这个方法的操作数栈就是空的。操作数栈本质上是 JVM  执行引擎的一个工作区，也就是方法在执行，才会对操作数栈进行操作，如果代码不不执行，操作数栈其实就是空的。三、动态连接：Java 语言特性多态（后续章节细讲，需要结合 class 与执行引擎一起来讲）。四、返回地址：正常返回（调用程序计数器中的地址作为返回）、异常的话（通过异常处理器表<非栈帧中的>来确定）同时，虚拟机栈这个内存也不是无限大，它有大小限制，默认情况下是 1M。如果我们不断的往虚拟机栈中入栈帧，但是就是不出栈的话，那么这个虚拟机栈就会爆掉（例如方法 D()会抛出 Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError）。

public class MethodAndStack {    public static void main(String[] args) {        A();    }    public static void A() {        B();    }    public static void B() {        C();    }    public static void C() {    }    public static void D() {        D()    }}

这段代码很简单，就是起一个 main 方法，在 main 方法运行中调用 A 方法，A 方法中调用 B 方法，B 方法中运行 C 方法。我们把代码跑起来，线程 1 来运行这段代码， 线程 1 跑起来，就会有一个对应 的虚拟机栈，同时在执行每个方法的时候都会打包成一个栈帧。比如 main 开始运行，打包一个栈帧送入到虚拟机栈。C 方法运行完了，C 方法出栈，接着 B 方法运行完了，B 方法出栈、接着 A 方法运行完了，A 方法出栈，最后 main 方法运行完了，main 方法这个栈帧就出栈了。这个就是 Java 方法运行对虚拟机栈的一个影响。虚拟机栈就是用来存储线程运行方法中的数据的。而每一个方法对应一个栈帧。

本地方法栈（Native Method Stact）

本地方法栈跟 Java 虚拟机栈的功能类似，Java 虚拟机栈用于管理 Java 函数的调用，而本地方法栈则用于管理本地方法的调用。但本地方法并不是用 Java 实现的，而是由 C 语言实现的(比如 Object.hashcode 方法)。本地方法栈是和虚拟机栈非常相似的一个区域，它服务的对象是 native 方法。你甚至可以认为虚拟机栈和本地方法栈是同一个区域。虚拟机规范无强制规定，各版本虚拟机自由实现 ，HotSpot 直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一 。本地方法栈也会抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemorryError，上述说过程序计数器不会记录本地方法栈。

方法区（Method Area）

方法区主要是用来存放已被虚拟机加载的类相关信息，包括类信息、静态变量、常量、运行时常量池、字符串常量池等。方法区是 JVM 对内存的“逻辑划分”，在 JDK1.7 及之前很多开发者都习惯将方法区称为“永久代”，是因为在 HotSpot 虚拟机中，设计人员使用了永久代来实现了 JVM 规范的方法区。在 JDK1.8 及以后使用了元空间来实现方法区。JVM 在执行某个类的时候，必须先加载。在加载类（加载、验证、准备、解析、初始化）的时候，JVM 会先加载 class 文件，而在 class 文件中除了有类的版本、字段、方法和接口等描述信息外，还有一项信息是常量池 (Constant Pool Table)，用于存放编译期间生成的各种字面量和符号引用。字面量包括字符串（String a=“b”）、基本类型的常量（final 修饰的变量），符号引用则包括类和方法的全限定名（例如 String 这个类，它的全限定名就是 Java/lang/String）、字段的名称和描述符以及方法的名称和描述符。JDK1.7 的 HotSpot 中，已经把原本放入永久代的字符串常量池移出（java 常量池不在堆中也不在栈中,是独立的内存空间管理。常量池：存放字符串常量和基本类型常量）

元空间（class metadata）

方法区与堆空间类似，也是一个共享内存区，所以方法区是线程共享的。假如两个线程都试图访问方法区中的同一个类信息，而这个类还没有装入 JVM，那么此时就只允许一个线程去加载它，另一个线程必须等待。在 HotSpot 虚拟机、Java7 版本中已经将永久代的静态变量和运行时常量池转移到了堆中，其余部分则存储在 JVM 的非堆内存中，而 Java8 版本已经将方法区中实现的永久代去掉了，并用元空间（class metadata）代替了之前的永久代，并且元空间的存储位置是本地内存。

元空间大小参数：jdk1.7 及以前（初始和最大值）：-XX:PermSize；-XX:MaxPermSize；jdk1.8 以后（初始和最大值）：-XX:MetaspaceSize； -XX:MaxMetaspaceSizejdk1.8 以后大小就只受本机总内存的限制（如果不设置参数的话）JVM 参数参考：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html

Java8 为什么使用元空间替代永久代，这样做有什么好处呢？官方给出的解释是：移除永久代是为了融合 HotSpot JVM 与 JRockit VM 而做出的努力，因为 JRockit 没有永久代，所以不需要配置永久代。永久代内存经常不够用或发生内存溢出，抛出异常 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen。这是因为在 JDK1.7 版本中，指定的 PermGen 区大小为 8M，由于 PermGen 中类的元数据信息在每次 FullGC 的时候都可能被收集，回收率都偏低，成绩很难令人满意；还有为 PermGen 分配多大的空间很难确定，PermSize 的大小依赖于很多因素，比如，JVM 加载的 class 总数、常量池的大小和方法的大小等。

常量池与运行时常量池（Constant pool and Runtime Constant Pool）

而当类加载到内存中后，JVM 就会将 class 文件常量池中的内容存放到运行时的常量池中；在解析阶段，JVM 会把符号引用替换为直接引用（对象的索引值）。例如，类中的一个字符串常量在 class 文件中时，存放在 class 文件常量池中的；在 JVM 加载完类之后，JVM 会将这个字符串常量放到运行时常量池中，并在解析阶段，指定该字符串对象的索引值。运行时常量池是全局共享的，多个类共用一个运行时常量池，class 文件中常量池多个相同的字符串在运行时常量池只会存在一份。

常量池有很多概念，包括运行时常量池、class 常量池、字符串常量池。虚拟机规范只规定以上区域属于方法区，并没有规定虚拟机厂商的实现。严格来说是静态常量池和运行时常量池，静态常量池是存放字符串字面量、符号引用以及类和方法的信息，而运行时常量池存放的是运行时一些直接引用。运行时常量池并不只有编译期能产生（预置入 Class 文件中），运行期间也可能产生新的常量池（使用较多是 String 类的 intern()方法）

运行时常量池是在类加载完成之后，将静态常量池中的符号引用值转存到运行时常量池中，类在解析之后，将符号引用替换成直接引用。运行时常量池在 JDK1.7 版本之后，就移到堆内存中了，这里指的是物理空间，而逻辑上还是属于方法区（方法区是逻辑分区）。所谓静态常量池，也就是上图*.class 文件中的常量池。

堆（Heap）

堆是 JVM 上最大的内存区域，我们申请的几乎所有的对象，都是在这里存储的。我们常说的垃圾回收，操作的对象就是堆。堆空间一般是程序启动时，就申请了，但是并不一定会全部使用。堆一般设置成可伸缩的。随着对象的频繁创建，堆空间占用的越来越多，就需要不定期的对不再使用的对象进行回收。这个在 Java 中，就叫作 GC（Garbage Collection）。

那一个对象创建的时候，到底是在堆上分配，还是在栈上分配呢？这和两个方面有关：对象的类型和在 Java 类中存在的位置。Java 的对象可以分为基本数据类型和普通对象。对于普通对象来说，JVM 会首先在堆上创建对象，然后在其他地方使用的其实是它的引用。比如，把这个引用保存在虚拟机栈的局部变量表中。对于基本数据类型来说（byte、short、int、long、float、double、char)，有两种情况。当你在方法体内声明了基本数据类型的对象，它就会在栈上直接分配。其他情况，都是在堆上分配。

堆大小参数：-Xms：堆的最小值；-Xmx：堆的最大值；-Xmn：新生代的大小；-XX:NewSize；新生代最小值；-XX:MaxNewSize：新生代最大值；例如- Xmx256m

符号引用

符号引用则属于编译原理方面的概念，包括了如下三种类型的常量：类和接口的全限定名、字段名称和描述符、方法名称和描述符。

一个 java 类（假设为 People 类）被编译成一个 class 文件时，如果 People 类引用了 Tool 类，但是在编译时 People 类并不知道引用类的实际内存地址，因此只能使用符号引用来代替。而在类装载器装载 People 类时，此时可以通过虚拟机获取 Tool 类的实际内存地址，因此便可以既将符号 org.simple.Tool 替换为 Tool 类的实际内存地址，及直接引用地址。

即在编译时用符号引用来代替引用类，在加载时再通过虚拟机获取该引用类的实际地址，以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局是无关的，引用的目标不一定已经加载到内存中。

直接内存（堆外内存）

直接内存有一种更加科学的叫法，堆外内存。JVM 在运行时，会从操作系统申请大块的堆内存，进行数据的存储；同时还有虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器，这块称之为栈区。操作系统剩余的内存也就是堆外内存。它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；如果使用了 NIO,这块区域会被频繁使用，在 java 堆内可以用 directByteBuffer 对象直接引用并操作；

这块内存不受 java 堆大小限制，但受本机总内存的限制，可以通过-XX:MaxDirectMemorySize 来设置（默认与堆内存最大值一样），所以也会出现 OOM 异常。

1、直接内存主要是通过 DirectByteBuffer 申请的内存，可以使用参数“MaxDirectMemorySize”来限制它的大小。2、其他堆外内存，主要是指使用了 Unsafe 或者其他 JNI 手段直接直接申请的内存。

堆外内存的泄漏是非常严重的，它的排查难度高、影响大，甚至会造成主机的死亡。后续章节会详细讲。

同时，要注意 Oracle  之前 计划在 Java 9  中去掉 sun.misc.Unsafe API 。这里删除 sun.misc.Unsafe  的原因之一是使 Java  更加安全，并且有替代方案。目前我们主要针对的 JDK1.8 ，JDK1.9  暂时不放入讨论范围中，我们大致知道 java  的发展即可。

本文详细的讲述了 Java 虚拟机运行时数据区的程序计数器、虚拟机栈，本地方法栈，方法区，堆，常量池，以及直接内存(堆外内存)，对各个区域的作用，服务对象以及其中可能产生的问题展开讨论，本篇篇幅较长，适合点赞+收藏。有什么错误希望大家直接指出~

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