JVM内存区域划分

前言

Java程序的运行是通过Java虚拟机来实现的。通过类加载器将class字节码文件加载进JVM，然后根据预定的规则执行。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。这些内存区域被统一叫做运行时数据区。Java运行时数据区大致可以划分为5个部分。如下图所示。在这里要特别指出，我们现在说的JVM内存划分是概念模型。具体到每个JVM的具体实现可能会有所不同。具体JVM的实现我只会提到HotSpot虚拟机的实现细节。

程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，它可以看成是当前线程所执行的字节码的行号指示器。程序计数器记录线程当前要执行的下一条字节码指令的地址。由于Java是多线程的，所以为了多线程之间的切换与恢复，每一个线程都需要单独的程序计数器，各线程之间互不影响。这类内存区域被称为“线程私有”的内存区域。
由于程序计数器只存储一个字节码指令地址，故此内存区域没有规定任何OutOfMemoryError情况。

虚拟机栈

Java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在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、动态链接、方法出口等信息。
一个栈帧就代表了一个方法执行的内存模型，虚拟机栈中存储的就是当前执行的所有方法的栈帧（包括正在执行的和等待执行的）。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机中入栈到出栈的过程。我们平时所说的“局部变量存储在栈中”就是指方法中的局部变量存储在代表该方法的栈帧的局部变量表中。而方法的执行正是从局部变量表中获取数据，放至操作数栈上，然后在操作数栈上进行运算，再将运算结果放入局部变量表中，最后将操作数栈顶的数据返回给方法的调用者的过程。（关于栈帧和基于栈的方法执行，我会在之后写两篇文章专门介绍。敬请期待☺）
虚拟机栈可能出现两种异常：由线程请求的栈深度过大超出虚拟机所允许的深度而引起的StackOverflowError异常；以及由虚拟机栈无法提供足够的内存而引起的OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈类似，他们的区别在于：本地方法栈用于执行本地方法（Native方法）；虚拟机栈用于执行普通的Java方法。在HotSpot虚拟机中，就将本地方法栈与虚拟机栈做在了一起。
本地方法栈可能抛出的异常同虚拟机栈一样。

堆

Java堆是Java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，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例：所有的对象实例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Class对象比较特殊，它虽然是对象，但是存放在方法区里。在下面的方法区一节会介绍。Java堆是垃圾收集器（GC）管理的主要区域。现在的收集器基本都采用分代收集算法：新生代和老年代。而对于不同的”代“采用的垃圾回收算法也不一样。一般新生代使用复制算法；老年代使用标记整理算法。对于不同的”代“，一般使用不同的垃圾收集器，新生代垃圾收集器和老年代垃圾收集器配合工作。(关于垃圾收集算法、垃圾收集器以及堆中具体的分代等知识，我之后会专门写几篇博客来介绍。再次敬请期待☺)
Java堆可以是物理上不连续的内存空间，只要逻辑上连续即可。Java堆可能抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

方法区与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域。它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。
所有的字节码被加载之后，字节码中的信息：类信息、类中的方法信息、常量信息、类中的静态变量等都会存放在方法区。正如其名字一样：方法区中存放的就是类和方法的所有信息。此外，如果一个类被加载了，就会在方法区生成一个代表该类的Class对象（唯一一种不在堆上生成的对象实例）该对象将作为程序访问方法区中该类的信息的外部接口。有了该对象的存在，才有了反射的实现。
在Java7之前，HotSpot虚拟机中将GC分代收集扩展到了方法区，使用永久代来实现了方法区。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载。但是在之后的HotSpot虚拟机实现中，逐渐开始将方法区从永久代移除。Java7中已经将运行时常量池从永久代移除，在Java 堆（Heap）中开辟了一块区域存放运行时常量池。而在Java8中，已经彻底没有了永久代，将方法区直接放在一个与堆不相连的本地内存区域，这个区域被叫做元空间。
关于元空间的更多信息，请参考：Java永久代去哪儿了

运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分，关于运行时常量池的介绍，请参考我的另一篇博文：String放入运行时常量池的时机与String.intern()方法解惑。我还是花了些时间在理解运行时常量池上的。

直接内存

JDK1.4中引用了NIO，并引用了Channel与Buffer，可以使用Native函数库直接分配堆外内存，并通过一个存储在Java堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。
如上文介绍的：Java8以及之后的版本中方法区已经从原来的JVM运行时数据区中被开辟到了一个称作元空间的直接内存区域。

参考：
《深入理解Java虚拟机-JVM高级特性与最佳实践》第二版周志明著