Java的内存管理机制之内存区域划分

各位，好久不见。先做个预告，由于最近主要在做Java服务端开发，最近一段时间会更新Java服务端开发相关的一些知识，包括但不限于一些读书笔记、框架的学习笔记、和最近一段时间的思考和沉淀。先从Java虚拟机的内存开始吧。

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。根据《Java虚拟机规范（第2版）》规定，Java虚拟机所管理的内存包括以下几个运行区域。如下图所示：

这些区域有各自的用途，各自的创建和销毁时间（各自的生命周期）。

1. 程序记数器 （线程私有，内存区域唯一在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域）

它可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机概念模型里（仅是概念模型），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位置，每条线程都需要有一个独立的程序技术器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，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，程序计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果是正在执行的是Nativie方法，则记录的值为空（Undefined)。

 

2.Java虚拟机栈（线程私有，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同时创建一个栈帧（Stack 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中从入栈到出栈的过程。

局部变量表存放的是啥？它存放了编译期可知的各种基本数据类型 (boolean、byte、char、short、int、long、double)、对象引用（reference类型，根据不同的虚构机实现，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（提向了一条字节码指令的地址）

该区域会产生的两种异常情况；

（1）StackOverflowError异常：请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度

（2）OutOfMemoryError 异常：当扩展时无法申请到足够的内存

3.本地方法栈（线程私有）

本地方法栈与虚拟机栈作用相似，区别是虚拟机执行Java方法（字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。

该区域和虚拟机栈一样也会产生的StackOverflowError异常、OutOfMemoryError 异常

4.Java堆（线程共享，内存中最大的一块）

在虚拟机启动时创建，唯一目的就是存放对象实例，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上连续的即可。可以实现成固定的，也可以是扩展的，当前主流的虚构机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx 和-Xms 控制）,如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法扩展，将会抛出OutOfMemoryError异常。

垃圾收集器的主要区域，所以也被称为”GC堆“。

从内存回收的角度看，分为了新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。

从内存分配的角度看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local  Allocation Buffer，TLAB）。

5.方法区（别名：Non-Heap （非堆），线程共享）

它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等数据。

方法区和永久代：本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。对于其他虚拟机（如BEA Jrockit、IBM J9等）来说是不存在永久代的概念的。即使HotSpot虚拟机本身，根据官方发布的路线图信息，也有放弃永久代的并”搬家“至Native Memory来实现方法区的规划了（Java 1.8 已放弃永久代，替代者元空间（Metaspace）：与Oracle JRockit 和 IBM JVM类似，JDK 8.HotSpot JVM开始使用本地化的内存存放类的元数据，这个空间叫做元空间（Metaspace））

方法区可以选择不实现垃圾收集，这个区域的内存回收主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。

当方法区无法满足内存分配需求时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

 运行时常量池，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，还有一项信息是常量池，用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用，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。

直接内存

直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分也被频繁的使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。那什么是直接内存？

在JDK1.4中新加入了NIO（New Input/Output)类，引入了一种基于通道（Channnel）与缓存区（Buffer ) 的I/O方式，它可以使用Native函数直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆里的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。目的是在一些场景中提高性能，因为避免了Java堆和Native堆中来回复制数据。本机直接内存不会受到Java堆大小的限制，但会受到本机总内存的限制。这个地方是需要配置虚拟机参数一并考虑进去的，动态扩展时可能会出现OutofMemoryError异常。

参考：《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》

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