JVM发展史和Java运行时内存区域

目前三大主流JVM：

Sun HotSpot：Sun于1997年收购Longview Technologies公司所得。Sun于2009年被Oracle收购。

BEA JRockit：BEA于2002年收购Appeal Virtual Machines公司所得。BEA将其发展为一款专门为服务器硬件和服务器端应用场景高度优化的虚拟机，由于专注于服务器端应用，它可以不太关注程序启动速度，因此JRockit内部不包含解析器实现，全部代码都靠即时编译器编译后执行。除此之外，JRockit的垃圾收集器和MissionControl服务套件等部分的实现，在众多JVM中也一直处于领先水平。BEA于2008年被Oracle收购。

IBM J9：IBM公司开发，与BEA JRockit专注于服务端应用不同，IBM J9的市场定位与Sun HotSpot比较接近，它是一款设计上从服务端到桌面应用再到嵌入式都全面考虑的多用途虚拟机，J9的开发目的是作为IBM公司各种Java产品的执行平台，它的主要市场是和IBM产品(如IBM WebSphere等)搭配以及在IBM AIX和z/OS(IBM大型机的64位操作系统)这些平台上部署Java应用。

Java运行时内存区域与内存溢出异常

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。这些区域都有各自的用途以及创建和销毁时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而存在，有的区域则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(Java SE7版)》的规定，Java虚拟机管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域：

1、方法区 Method Area

方法区是所有线程共享的内存区域，它用于存储类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。为了和Java堆区分开，方法区也被称做Non-Heap(非堆)。

Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存以及大小可固定可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就永久存在了，这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。一般来说， 方法区的回收效果比较差，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是必要的。

HotSpot虚拟机在Java6、Java7使用永久代来实现方法区，因此在这些jdk环境下，方法区又被称为永久代。值得注意的是，方法区和“PermGen space”又有着本质的区别。前者是 JVM 的规范，而后者则是 JVM 规范的一种实现，并且只有 HotSpot 才有 “PermGen space”，而对于其他类型的虚拟机，如JRockit、J9并没有“PermGen space”。由于方法区主要存储类的相关信息，所以对于动态生成类的情况比较容易出现永久代的内存溢出。最典型的场景就是，在 jsp 页面比较多的情况，容易出现永久代内存溢出。

Java7中，永久代中一部分数据转移到了别的内存区域。符号引用(Symbols)转移到了native heap，字面量(interned strings)和类的静态变量转移到了java heap。

Java8中，永久代彻底消失了，新增了元空间(metaspace)。元空间

常量存储在运行时常量池中。我们一般在类中通过final来声明一个常量(如public static final float PI = 3.14F;)，这个类被编译后便生成Class文件，这个类的所有信息都存储在这个class文件中。当这个类被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对象的intern()方法就能在运行期间向常量池中添加字符串常量。当运行时常量池中的某些常量没有被对象引用，同时也没有被变量引用，那么就需要垃圾收集器回收。

根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError。

2、Java堆 Heap

Java堆也是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建，是JVM内存中最大的一块。此内存区域的唯一目的就是存放对象，几乎所有的对象都在这里分配内存。Java虚拟机规范中的描述是：所有的对象以及数组都要在堆上分配(The heap is the runtime data area from which memory for all class instances and arrays is allocated)。但是随着即时编译器(Just In Time，JIT)的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换等技术使得所有的对象都分配在堆上也变得不那么绝对了。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做GC堆(Garbage Collected Heap)。Java堆可以分为新生代和老年代，新生代还可以细分为EdenSpace、FromSpace(Survivor1)、ToSpace(Survivor2)，默认情况下按8:1:1分配。所有新生成的对象首先都放在新生代，s0和s1都至少经过一次GC并幸存。如果幸存对象经过一定时间仍存在，则进入老年代。

根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可。Java堆既可以是固定大小的，也可以是可扩展的。当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的(通过-Xmx和-Xms控制)。如果在堆中没有内存可分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError。如创建一个Integer.MAX_VALUE长度的数组时，在jdk1.6中就会抛出java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space，在jdk1.8中会抛出java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit。

3、Java虚拟机栈 JVM Stack

与程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。

虚拟机栈服务于Java方法的运行。虚拟机栈会为每一个即将运行的Java方法创建一个栈帧(Stack Frame)，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用到执行完成的过程，都对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(reference类型，它不等同于对象本身，可能指向对象起始地址，也可能指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置)和returnAddress类型(指向了一条字节码指定的地址)。其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间(Slot)，其余的数据类型只占用1个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈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。

栈的大小决定了方法调用的可达深度(递归多少层次，或嵌套调用多少层其他方法，-Xss参数可以设置虚拟机栈大小)。栈的大小可以是固定的，或者是动态扩展的。

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：

如果栈的大小是固定的，当线程请求的栈深度大于最大可用深度时，将抛出StackOverflowError。

如果栈可以动态扩展，但在扩展时无法申请到足够的内存，就会抛OutOfMemoryError。

备注：StackOverflowError和OutOfMemoryError都是VirtualMachineError的子类。VirtualMachineError的父类是Error，Error和Exception是兄弟关系，它们的父类是Throwable。

4、本地方法栈 Native Method Stack

本地方法栈和虚拟机栈的作用是非常相似的，也是线程私有的，它们的区别是，虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务，而本地方法栈为虚拟机执行Native方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法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，甚至有的虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一(比如Sun HotSpot)。同虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError。

5、程序计数器 Program Counter Register

程序计数器有时也被称为PC寄存器，是一块较小的内存空间，是线程私有的，它可以看作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的，分支、循环、跳转、异常处理等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。此外，线程恢复也要依赖程序计数器。由于Java虚拟机的多线程是通过线程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，一个内核都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，各线程的计数器互不影响。

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字节码指令的地址；如果正在执行的是Native方法，则这个计数器值为空。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。

直接内存 Direct Memory

直接内存是JVM之外的内存，也有可能被Java使用。NIO是基于通道(Channel)和缓冲区(Buffer)的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配JVM之外的内存，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，而无需先将外面内存中的数据复制到堆中再操操，从而提升了数据操作的效率。可以通过-XX:MaxDirectMemorySize来设置直接内存，如果设置的太小的话，可能会抛出OutOfMemoryError。

JVM参数：

-Xms，设置堆的最小空间

-Xmx，设置堆的最大空间

-XX:NewSize，设置新生代最小空间   New代表新的意思

-XX:MaxNewSize，设置新生代最大空间

-XX:NewRatio，设置老年代和新生代比例

-XX:SurvivorRatio，设置Eden空间和单个Survivor空间的比例，注意Survivor空间有2个

-XX:MaxHeapFreeRatio GC后，如果发现空闲堆内存占到整个预估的比例小于这个值，则减小堆空间

-XX:MinHeapFreeRatio GC后，如果发现空闲堆内存占到整个预估的比例大于这个值，则增大堆空间

-XX:PermSize，设置永久代最小空间(HotSpot独有)

-XX:MaxPermSize，设置永久代最大空间(HotSpot独有)

-Xss，设置每个线程的栈大小(是vm栈还是本地方法栈??)