JVM内存模型/内存空间

Java虚拟机JVM运行起来，就会给内存划分空间，这块空间成为运行时数据区。

运行时数据区主要划分为以下 6个 ：

① 程序计数器 （Program Counter Register）

• 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
• 线程私有的内存
• 值得注意的是：《Java虚拟机规范》中，唯一一个没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域！！！

程序计数器也可以称为PC寄存器，通俗的讲就是指令缓存，它主要用来缓存当前程序执行的下一条指令的地址，CPU根据这个地址找到将要执行的指令。这个寄存器是JVM内部实现的，不是物理概念上的计数器，不过和JVM的实现逻辑一样。

② Java虚拟机栈 （VM Stack）

• Java方法执行的线程内存模型
• 每一个线程运行起来的都会对应一个栈（线程栈），栈中的数据是该线程独有的，不会产生资源共享的情况，因此线程栈是线程安全的。
• 栈当中存放的是栈帧
  • 每个Java方法的执行对应着一个栈帧的进栈和出栈的操作
  • 当线程调用方法时，就形成一个栈帧，并将这个栈帧进行压栈操作，方法执行完之后进行出栈操作。
  • 这个栈帧中包括：局部变量、操作数栈、指向当前方法对应类的常量池引用、方法返回地址等信息
• 为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务
• 线程私有的内存
• 其生命周期与线程相同
• 两类异常：
  • 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JVM栈容量可以动态扩展，当栈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 （Native Method Stack）

• 区别于 “Java虚拟机栈”
  • 本地方法栈只为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务，为其运行提供内存环境
    • 本地方法是指JVM需要调用非Java语言所实现的方法，例如C/C++/C#
  • JVM栈运行的是Java方法

在JVM规范中，没有强化性要求实现方一定要划分出本地方法栈（例如：HotSpot虚拟机将本地方法栈和栈合二为一）和具体实现（不同的操作系统，对JVM规范的具体实现都不一样）。

• 同 “Java虚拟机栈” 一样，本地方法栈也有两类异常：
  • 栈深度溢出时，将抛出StackOverflowError异常
  • 栈扩展失败时，会抛出OutOfMemoryError异常

④ Java堆 （Java Heap）

• 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
• 唯一的目的：存放对象示例。
  • Java中 “几乎” 所有的对象实例都在这里分配内存；
  • 但是，由于现在技术发展，说 “Java对象示例都分配在堆上” 也渐渐变得不是那么绝对了。
• Java堆是垃圾收集器管理的内存区域，也称“GC堆”。
  • 堆内存中的对象没有被引用，会自动被Java的垃圾回收机制回收。
• 当在方法中定义了局部变量：
  • 如果局部变量是基本数据类型，直接存放在栈内存中；
  • 如果局部变量是引用数据类型，会将变量值存放在堆内存中，栈内存中只存放引用地址。
• Java堆可以处于物理上不连续的内存空间，但在逻辑上它应该是被视为连续的。
• 如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且Java堆也无法再扩展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常

⑤ 方法区（Method Area）

• 和 “Java堆” 一样，是被所有线程共享的一块区域。
• 主要存放每一个被加载的class的信息

class信息主要包含魔数（确定是否是一个class文件），常量池，访问标志（当前的类是普通类还是接口，是否是抽象类，是否被public修饰，是否使用了final修饰等描述信息…），字段表集合信息（使用什么访问修饰符，是实例变量还是静态变量，是否使用了final修饰等描述信息…），方法表集合信息（使用什么访问修饰符，是否静态方法，是否使用了 final 修饰，是否使用了synchronized修饰，是否是native方法…）等内容。

当一个类加载器加载了一个类的时候，会根据这个class文件创建一个class对象，class对象就包含了上述的信息。后续要创建这个类的实例，都根据这个class对象创建出来的。

• 在《Java虚拟机规范》中，把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫作 “非堆” ，目的是与Java堆区分开来。
• 如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常

⑥ 运行时常量池 （Running Constant Pool）

• 运行时常量池是方法区的一部分。
• 存放class中最重要的资源，JVM为每一个class对象都维护着一个常量池。
• 常量池表：用于存放编译期生成的各种字面量与字符引用。
  • 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。
• 运行时常量池相对Class文件常量池的一个重要特征是具备动态性。
• 当常量池无法再申请到内存时，会抛出OutOfMemoryError异常

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【特】 直接内存

运行时数据区主要为以上6个区域，但是JVM所管理的还有一个较特殊的区域：

• 直接内存 （Direct Memory）
• 既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。
• 但是这部分内存区域也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现

1. 在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，它可以使用Native函数库 直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。
2. 在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RAM及SWAP区或者分页文件）的大小及处理器寻址空间的限制。服务器管理员配置虚拟机参数时，一般会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常会忽略掉直接内存，使得各个内存区域的总和大于物理内存限制（包括物理上的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

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参考资料：

[1] JVM的内存空间