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Java内存划分

参考深入理解Java虚拟机.pdfJava虚拟机在执行Java程序的过程中会把所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间。有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规范（第2版）》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。

方法区堆虚拟机栈本地方法栈程序计数器

其中，方法区和堆，是由所有线程共享的数据区。虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器是线程隔离的数据区。

1 程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

在虚拟机的概念模型里，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，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。

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，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说只是一个内核）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，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

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指令的地址；

如果正在执行的是Native方法，这个计数器值则为空（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情况的区域。

2 Java虚拟机栈

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。

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创建一个栈帧（Stacks Frame）用于存储局部变量表、操作栈、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栈中从入栈到出栈的过程。

经常有人把Java内存区分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），这种分法比较粗糙，Java内存区域的划分实际远比者复杂。其中的“栈”就是指虚拟机栈，或者说虚拟机栈中的局部变量表部分。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型、对象引用（reference 类型，它不等同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个纸箱兑现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（指向了一条字节码指令的地址）。

局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法是，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。

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；如果虚拟机栈可以动态扩展，当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

3 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非常相似的，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到Native方法服务。

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（例如Sun HotSpot 虚拟机）直接就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OutOfMemoryError

4 Java堆

对于大多数应用来说，Java堆(Heap)是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。是被所有线程共享的一块区域。在虚拟机启动的时候创建。几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，现在收集器基本都是采用的分代收集算法。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空间、To Survivor空间等。

如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法扩展时，会抛出OutOfMemoryError.

5 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，别名Non-Heap(非堆)。

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。

对于习惯在HotSpot虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”，但本质上两者并不等价。仅仅是HotSpot虚拟机把Gc的分代收集扩展到方法区了。或者说是使用永久代来实现方法区。

当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError。

6 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，还有一项是常量池（Constant Pool），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。

既然运行时常量池是方法区的一部分，那自然会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。

7 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，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。但是，这部分内存也被频繁的使用。而且也可能导致OutOfMemroyError出现。

在JDK 1.4中新加入的NIO类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存。它不受Java堆内存大小的限制，但是受到总机内存（包括RAM和SWAP区或者分页文件）的大小以及处理器寻址空间的限制。