JVM内存区域划分

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前言

在了解JVM内存区域划分之前，先看下java程序的执行过程：

如上图所示，首先java源代码文件（.java）会被java编译器编译为java字节码文件（.class），然后由JVM类加载器加载各个类的字节码文件，加载完毕后交由JVM执行引擎执行。

在程序执行过程中，JVM会用一段空间存储运行过程中需要用到的数据和信息，这段空间称为Runtime Data Area（运行时数据区），也就是JVM内存。

我们常说的JVM内存管理，就是指对这段空间的管理（如何分配和回收内存空间）。

运行时数据区

根据《Java虚拟机规范》的规定，运行时数据区通常包括这几个部分：程序计数器(Program Counter Register)、Java栈(VM Stack)、本地方法栈(Native Method Stack)、方法区(Method Area)、堆(Heap)。

1、程序计数器

1. 程序计数器 = 当前线程所执行的字节码行号指示器。

2. 线程私有的，生命周期与线程相同。（在JVM中，多线程是由线程轮流切换来获取CPU的执行时间片，在某一个确定的时间，一个CPU只会处理一个线程中的指令，因此，为了线程切换后能回到正确的执行位置，每条线程都需要一个独立的线程计数器，各条线程计数器互不影响，独立存储）

3. 线程执行 Java方法时，记录其正在执行的虚拟机字节码指令地址。

4. 线程执行 Native方法时，计数器记录为空( Undefined)。（原因是：程序计数器记的是字节码的指令地址，而对于本地方法，是操作系统层面的方法，JVM无法记录执行过程）。

5. 所占空间小且固定，唯一在 Java虚拟机规范中没有规定任何 OutOfMemoryError情况区域。

2、java虚拟机栈

Java栈是Java方法执行过程的内存模型：

每一个方法从调用直到执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中的入栈和出栈的全过程。（线程当前执行的方法所对应的栈帧必定位于Java栈的顶部）

线程执行期间，每个方法执行时都会创建一个栈帧(Stack Frame) ，用于存储 局部变量表、操作数栈、指向运行时常量池的引用、方法返回地址等信息。

1、局部变量表

用于存储方法参数和局部变量；

局部变量表在编译期间分配内存空间，可以存放编译期的各种变量类型：

1. 基本数据类型 ： boolean, byte, char, short, int, float, long, double等 8种；

2. 对象引用类型 ： reference，指向对象起始地址的引用指针；

3. 返回地址类型 ： returnAddress，返回地址的类型。

2、操作数栈

和局部变量表不同的是，它不是通过索引来访问，而是通过标准的栈操作 — 压栈和出栈来访问。

栈最典型的一个应用就是用来对表达式求值。

想想一个线程执行方法的过程中，实际上就是不断执行语句的过程，而归根到底就是进行计算的过程。因此可以这么说，程序中的所有计算过程都是在借助于操作栈来完成的。

3、指向运行时常量池的引用

因为在方法执行的过程中有可能需要用到类中的常量，所以必须要有一个引用指向运行时常量。

 4、方法返回地址

当一个方法执行完毕之后，要返回之前调用它的地方，因此在栈帧中必须保存一个方法返回地址。

当一个方法返回时，可能依次进行以下 3个操作：

1. 恢复上层方法的局部变量表和操作数栈。

2. 把返回值压入调用者栈帧的操作数栈。

3. 将 PC计数器的值指向下一条方法指令位置。

小结：

注意：在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常。

其一：如果当前线程请求的栈深度大于虚拟机栈所允许的深度，将会抛出 StackOverflowError 异常（在虚拟机栈不允许动态扩展的情况下）；

其二：如果扩展时无法申请到足够的内存空间，就会抛出 OutOfMemoryError 异常。

3、本地方法栈

本地方法栈和 Java虚拟机栈发挥的作用非常相似，主要区别是 Java虚拟机栈执行的是 Java方法服务，而本地方法栈执行 Native方法服务。

4、堆

 堆是被所有线程共享的、堆是用来存储对象本身的以及数组

在 Java中，堆被划分成两个不同的区域：新生代 ( YoungGeneration) 、老年代 ( OldGeneration) 。

新生代 ( Young) 又被划分为三个区域：一个 Eden区和两个 Survivor区 - FromSurvivor区和 ToSurvivor区。

简要归纳：新的对象分配是首先放在年轻代 ( YoungGeneration) 的 Eden区， Survivor区作为 Eden区和 Old区的缓冲，在 Survivor区的对象经历若干次收集（15）仍然存活的，就会被转移到老年代 Old中。

5、方法区

方法区和 Java堆一样，为多个线程共享，它用于存储类信息、常量、静态常量和即时编译后的代码等数据。

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、方法和接口等描述信息外， 还有一类信息是常量池，用于存储编译期间生成的各种字面量和符号引用。

在类和接口被加载到JVM后，对应的运行时常量池就被创建出来。当然并非Class文件常量池中的内容才能进入运行时常量池，在运行期间也可将新的常量放入运行时常量池中，比如String的intern方法。

元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。

为什么将永久代转为元数据？

　　1、字符串存在永久代中，容易出现性能问题和内存溢出。

　　2、类及方法的信息等比较难确定其大小，因此对于永久代的大小指定比较困难，太小容易出现永久代溢出，太大则容易导致老年代溢出。

　　3、永久代会为 GC 带来不必要的复杂度，并且回收效率偏低。

其他：

直接内存不属于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。

JavaNIO允许 Java程序直接访问直接内存，通常直接内存的速度会优于Java堆内存。因此，对于读写频繁、性能要求高的场景，可以考虑使用直接内存。