Java 虚拟机的内存结构

Java虚拟机运行时数据区

整个程序执行过程中，JVM会用一段空间来存储程序执行期间需要用到的数据和相关信息，这段空间一般被称作为Runtime Data Area（运行时数据区），也就是我们常说的JVM内存。因此，在Java中我们常常说到的内存管理就是针对这段空间进行的管理（如何分配和回收内存空间）。

运行时数据区通常包括以下这几个部分：

程序计数器（Program Counter Register）

　　程序计数器（Program Count Register）是一块较小的内存空间，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（仅是概念模型，各种虚拟机可能通过一些更高效的方式去实现），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）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，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

　　如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Native方法，这个计数器值则为空（Undefined）。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。在Sun的HostSpot虚拟机中，对于程序计数器是不回收的。

Java栈（Java Stack）

　　Java栈也称作虚拟机栈（Vitual Machine Stack），也就是我们常常所说的栈。与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）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、操作数栈、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，就对应着一个栈帧从入栈到出栈的过程。

　　局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（byte、short、int、long、float、double、boolean、char）、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）。

　　其中64位长度的long和double类型的数据会占用两个局部变量空间（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。

　　在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常情况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的Java虚拟机都可以动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈（Native Method Stacks）

　　本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、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（譬如Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

堆（Heap）

　　对于大多数应用来说，堆是Java虚拟机所管理的内存的最大的一块。堆是被所有线程共享的一块内存区域，在JVM中只有一个堆，在虚拟机启动时创建。Java中的堆是用来存储对象实例以及数组（当然，数组引用是存放在Java栈中的），几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

　　Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被成为“GC堆”。如果从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以在 Java 中，堆被划分成两个不同的区域：年轻代 ( Young )、老年代 ( Old )。年轻代又被划分为三个区域：Eden（伊甸园）、From Survivor（幸存者s0）、To Survivor（幸存者s1）。年轻代主要存储新创建的对象和尚未进入老年代的对象。老年代存储经过多次年轻代GC(Minor GC)仍然存活的对象。这样划分的目的是为了使 JVM 能够更好的管理堆内存中的对象，包括内存的分配以及回收。

年轻代：

程序新创建的对象都是从年轻代分配内存，年轻代由Eden Space（伊甸园）和两块相同大小的Survivor Space(通常又称S0和S1或From和To)构成，可通过-Xmn参数来指定年轻代的大小，也可以通过-XX:SurvivorRation来调整Eden Space及Survivor Space的大小。

老年代：

用于存放经过多次年轻代GC任然存活的对象，例如缓存对象，新建的对象也有可能直接进入老年代，主要有两种情况：

①大对象，可通过启动参数设置 -XX:PretenureSizeThreshold=1024 (单位为字节，默认为0)来代表超过多大时就不在新生代分配，而是直接在老年代分配。

②大的数组对象，且数组中无引用外部对象。

老年代所占的内存大小为-Xmx对应的值减去-Xmn对应的值。

　　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。就像磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是扩拓展的，不过当前的主流的虚拟机都是可拓展来实现（通过-Xmx和-Xms控制）。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryErrory异常。

方法区（Method Area）

　　方法区（Method Area）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（包括类的名称、方法信息、字段信息），常量，静态变量，即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做非堆，目的就是与Java堆区分开来。

　　在方法区中有一个非常重要的部分就是运行时常量池，它是每一个类或接口的常量池的运行时表示形式，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。可以认为方法区就是永久代。

　　Java虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，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如永久代的名字一样“永久存在了”。这个区域的内存回收目标主要是常量池的回收和对类型的卸载。

　　方法区的数据因为回收率非常小，而成本又比较高，一般认为是“性价比”非常差的，所以Sun自己的虚拟机HotSpot中是不回收的！但是根据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OutOfMemoryErrory异常。在现在高性能分布式J2EE的系统中，我们大量用到了反射、动态代理、CGLIB、JSP和OSGI等，这些类频繁的调用自定义类加载器，都需要动态的加载和卸载了，以保证永久代不会溢出，它们通过自定义的类加载器进行了各项操作。因此在实际的应用开发中，类也是被经常加载和卸载的，方法区也是会被回收的！但是方法区的回收条件非常苛刻，只有同时满足以下三个条件才会被回收：

• 该类的所有实例都已经被回收
• 加载该类的ClassLoader已经被回收
• Class对象无法通过任何途径访问(包括反射)

直接内存（Direct Memory）

　　直接内存并不是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。这部分内存也会被频繁使用，而且会出现OutOfMemoryError异常。

　　在JDK1.4新加入了NIO（new input/output）类，引入了基于通道与缓冲区的I/O方式，它可以使用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对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

　　显然，本机的直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是，既然是内存，肯定会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。如果配置虚拟机参数时忽略了直接内存，使得各个区域内存总和大于了物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制），从而会导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。