【JVM学习笔记一】JVM内存分布

Overview

学习JVM首先需要了解一下JVM管理的内存是如何分布的，在看了《深入理解Java虚拟机》和一些博文之后，我准备自己记录一下学习的过程。

下图是JVM中运行时数据区的大致示意图，可以看到主要分为两种内存区域，一种是线程私有的内存区，另一种是所有线程共享的区域。下面会详细描述每个区域存储哪些数据。

程序计数器

我们知道JVM是通过解释Java编译之后的字节码来执行程序的，那么JVM是怎么知道执行到哪一行字节码了呢？答案就是通过程序计数器来指示当前线程执行的字节码行号。我认为应该是JVM模仿CPU中的程序计数器来设计的。

需要注意的是每个线程都有自己私有的一个程序计数器，从而保证互相不干扰。同一时刻一个CPU内核只能执行一个线程上的代码。
当执行Java方法时程序计数器会起作用，但是执行Native方法时计数器值为空。
程序计数器区是JVM内存区中唯一一个不会触发OutOfMemory(OOM)异常的区域。

Java虚拟机栈

Java虚拟机栈也是专属于线程的内存区域，在线程执行每个方法时都会创建一个栈帧（Stack Frame），栈帧中存放了局部变量表、操作数栈、动态链接（reference）等信息。

当线程请起的栈深度大于虚拟机允许的最大深度，就会出发Stackoverflow异常；
如果虚拟机栈允许动态扩展，当无法申请足够内存时会出发OOM异常。

本地方法栈

本地方法栈与Java虚拟机栈的区别就是Java虚拟机栈为Java方法服务，而本地方法栈服务的是Native方法。有些虚拟机会把二者合一，比如HotSpot VM。本地方法栈也会抛出Stackoverflow和OOM异常。

堆

堆是JVM中最大的一块内存区域，主要是用来存放对象实例，几乎所有的对象实例都在堆上分配。

堆也是垃圾收集器(GC）管理的主要工作区域。GC基本采用分代回收算法，所以Java堆可以分为新生代（Young Generation）和老年代(Old Generation)，更细一点可以分为Eden、From Survivor空间和To Survivor空间。

Young Generation:主要是用来存放新生的对象，也是GC最经常发生的区域。

Old Generation：主要存放应用程序中生命周期长的内存对象，GC较少发生。

可以通过设置VM参数来扩展堆的大小：

-Xms:初试堆大小
-Xmx：堆最大大小
-XX:NewSize=n :设置年轻代大小
-XX:NewRatio=n: 设置年轻代和年老代的比值。如:为3，表示年轻代与年老代比值为1：3，年轻代占整个年轻代年老代和的1/4
-XX:SurvivorRatio=n :年轻代中Eden区与两个Survivor区的比值。注意Survivor区有两个。如：3，表示Eden：Survivor=3：2，一个Survivor区占整个年轻代的1/5

堆也可以抛出OOM异常。

方法区

方法区和堆一样是所有线程共享的内存区域，用于存储虚拟机加载的类信息、metadata、常量、静态变量、JIT编译器编译后的代码等数据，一般称为永生代（Permanent Generation），GC基本不会对永生代进行垃圾收集。

当方法区无法满足内存分配需求时也会抛出OOM异常。

运行时常量池

运行时常量池是方法区中的一部分，用于存放编译期生成的字面量和符号引用。

题外话

直接内存

直接内存不属于JVM管理的内存区域，但是也被频繁使用，其中最典型的例子就是NIO库，在之前一篇文章介绍过。NIO引入了channel和buffer，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对象来作为堆外内存的引用进行操作。这样避免了数据在Java堆和Native堆之间的复制，从而提升性能。

同样，该区域也会抛出OOM异常。