理解 JVM 工作机制（一） JVM 内存区域

JVM 内存区域

Java 虚拟机的内存空间分为 5 个部分

• 程序计数器

• Java 虚拟机栈

• 本地方法栈

• 堆

• 方法区

JDK 1.8 同 JDK 1.7 比，最大的差别就是：元数据区取代了永久代。元空间的本质和永久代类似，都是对 JVM 规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元数据空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。

程序计数器

是一块较小的内存空间，用于执行当前线程的指令、如分支、循环、跳转、异常处理以及线程恢复（）等基础功能。

如果线程正在执行 Java 方法，这个计数器记录的是正在执行中的虚拟机字节码指令的地址。如果是执行的 Native 方法。这个计数器值则为 Undefined

特点：

• 是一块较小的内存空间。

• 线程私有，每条线程都有自己的程序计数器。

• 生命周期：随着线程的创建而创建，随着线程的结束而销毁。

• 是唯一一个不会出现OutOfMemoryError的内存区域。

Java 虚拟机栈

Java 虚拟机栈是描述 Java 方法运行过程的内存模型。

Java 虚拟机栈会为每一个即将运行的 Java 方法创建一块叫做“栈帧”的区域，用于存放该方法运行过程中的一些信息，如：

• 局部变量表

• 操作数栈

• 动态连接

• 方法出口

• .........

压栈出栈过程

当方法运行过程中需要创建局部变量时，就将局部变量的值存入栈帧中的局部变量表中。

Java 虚拟机栈的栈顶的栈帧是当前正在执行的活动栈，也就是当前正在执行的方法，PC 寄存器也会指向这个地址。只有这个活动的栈帧的本地变量可以被操作数栈使用，当在这个栈帧中调用另一个方法，与之对应的栈帧又会被创建，新创建的栈帧压入栈顶，变为当前的活动栈帧。

方法结束后，当前栈帧被移出，栈帧的返回值变成新的活动栈帧中操作数栈的一个操作数。如果没有返回值，那么新的活动栈帧中操作数栈的操作数没有变化。

由于 Java 虚拟机栈是与线程对应的，数据不是线程共享的，因此不用关心数据一致性问题，也不会存在同步锁的问题。

Java 虚拟机栈的特点

• 局部变量表随着栈帧的创建而创建，它的大小在编译时确定，创建时只需分配事先规定的大小即可。在方法运行过程中，局部变量表的大小不会发生改变。

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

• StackOverFlowError 若 Java 虚拟机栈的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时，抛出 StackOverFlowError 异常。

• OutOfMemoryError 若允许动态扩展，那么当线程请求栈时内存用完了，无法再动态扩展时，抛出 OutOfMemoryError 异常。

• Java 虚拟机栈也是线程私有，随着线程创建而创建，随着线程的结束而销毁。

出现 StackOverFlowError 时，内存空间可能还有很多。

本地方法栈

作用和虚拟机栈发挥的作用相似，区别在于虚拟机栈执行 Java 方法（字节码）服务，而本地方法站则是为虚拟机使用到的 Native 方法服务

Java 堆

堆是用来存放对象的内存空间，几乎所有的对象都存储在堆中。

堆的特点

• 线程共享，整个 Java 虚拟机只有一个堆，所有的线程都访问同一个堆。而程序计数器、Java 虚拟机栈、本地方法栈都是一个线程对应一个。

• 在虚拟机启动时创建。

• 是垃圾回收的主要场所。

• 进一步可分为：新生代(Eden 区、From Survior、To Survivor)、老年代。

不同的区域存放不同生命周期的对象，这样可以根据不同的区域使用不同的垃圾回收算法，更具有针对性。

堆的大小既可以固定也可以扩展，但对于主流的虚拟机，堆的大小是可扩展的，因此当线程请求分配内存，但堆已满，且内存已无法再扩展时，就抛出 OutOfMemoryError 异常。

Java 堆处于物理上不连续的空间中。但在逻辑上它应该被视为连续的。而由于堆是被所有线程共享的，所以对它的访问需要注意同步问题，方法和对应的属性都需要保证一致性。

方法区

Java 虚拟机规范中定义方法区是堆的一个逻辑部分。方法区存放以下信息：

• 类型信息

• 常量

• 静态变量

• 即时编译器编译后代码缓存数据

• ...............

方法区的特点

• 线程共享。 方法区是堆的一个逻辑部分，因此和堆一样，都是线程共享的。整个虚拟机中只有一个方法区。

• 永久代。 方法区中的信息一般需要长期存在，而且它又是堆的逻辑分区，因此用堆的划分方法，把方法区称为“永久代”。

• 内存回收效率低。 方法区中的信息一般需要长期存在，回收一遍之后可能只有少量信息无效。主要回收目标是：对常量池的回收；对类型的卸载。

• Java 虚拟机规范对方法区的要求比较宽松。 和堆一样，允许固定大小，也允许动态扩展，还允许不实现垃圾回收。

运行时常量池

方法区中存放：类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码。常量就存放在运行时常量池中。

当类被 Java 虚拟机加载后， .class 文件中的常量就存放在方法区的运行时常量池中。而且在运行期间，可以向常量池中添加新的常量。如 String 类的 intern() 方法就能在运行期间向常量池中添加字符串常量。

直接内存

直接内存是在 Java 虚拟机之外的内存。

NIO 就是在 Native 函数库里直接分配堆外内存，然后通过一个存储在 Java 堆里面的DirectByteBuffer对象来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（上限是本机总内存），如果各个内存区域总和大于物理内存限制，会抛出OutOfMemoryError 异常

直接内存与堆内存比较

• 直接内存申请空间耗费更高的性能

• 直接内存读取 IO 的性能要优于普通的堆内存。

• 直接内存作用链： 本地 IO -> 直接内存 -> 本地 IO

• 堆内存作用链：本地 IO -> 直接内存 -> 非直接内存 -> 直接内存 -> 本地 IO

服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常忽略直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制，从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。