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参考：深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第3版） 周志明 著

一、JVM运行时数据区

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。这些区域有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而一直存在，有些区域则是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》 的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域：

其中：

• 虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器 是线程私有的，每个线程都有一份。
• 方法区、堆 是线程共享的，整个虚拟机只有一份。

1、虚拟机栈（JVM Stack）

线程私有。

虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：一个线程的每个方法被执行的时候，都会创建一个栈帧（Statck Frame）。栈帧中存储的有局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。当方法被调用时，栈帧在虚拟机栈中入栈，当方法执行完成时，栈帧出栈。

局部变量表中存储着方法的相关局部变量，包括各种基本数据类型，对象的引用，返回地址等。

这些数据类型在局部变量表中的存储空间以 局部变量槽（Slot）来表示，其中64位长度的long和double类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。

局部变量表是在 编译时就已经确定好的，方法运行所需要分配的空间在栈帧中是完全确定的，在方法的生命周期内都不会改变。

虚拟机栈中定义了两种异常：

• StackOverflowError（栈溢出）：如果线程请求的栈深度大于虚拟机允许的最大深度。
• OutOfMemoryError（内存溢出）：如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出该异常。

注意：HotSpot虚拟机的栈容量是不可以动态扩展的，以前的Classic虚拟机倒是可以。所以，HotSpot虚拟机上是不会由于虚拟机栈空间无法扩展而导致OOM的。但是如果线程申请栈空间的时候就失败了，仍然是会出现OOM的。

2、本地方法栈（Native Method Statck）

线程私有。

本地方法栈在作用、运行机制、异常类型等方面都与虚拟机栈相同。

唯一的区别是：虚拟机栈是为虚拟机执行Java方法服务的，而本地方法栈是为虚拟机执行Native方法服务的。

3、程序计数器（Program Counter Register）

线程私有。

程序计数器是一个较小的内存空间，用于指示当前线程所执行的字节码执行到了第几行，可以理解为是当前线程的所执行的字节码的行号指示器。

字节码解释器在工作时，会通过改变这个计数器的值来取下一条语句指令。

如果程序正在执行的是一个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；如果正在执行的是一个本地（Native）方法，这个计数器的值为空（Undefined）。

由于程序计数器只是记录当前指令的地址，所以不存在内存溢出的情况。因此，程序计数器也是所有JVM内存区域中唯一一个没有规定OutOfMemoryError情况的区域。

4、堆（Heap）

线程共享。

在JVM所管理的内存中，堆是最大的一块。

堆由所有线程共享，在虚拟机启动时创建。

堆存在的唯一目的就是为了 存放对象实例。原则上讲，所有的对象实例以及数组 都在堆上分配内存（不过现代技术里，也不是这么绝对的，也有栈上直接分配的）。

堆也是Java GC机制所管理的主要内存区域。堆可以分为：新生代 和 老年代。再细致一点可分为：Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间。

Java堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过参数-Xmx和-Xms设定）。如果在Java堆中没有内存可以拿来完成实例的分配，并且堆也无法再扩展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。

5、方法区（Method Area）

线程共享。

方法区用于存储已经被虚拟机加载的 类信息（即加载类时需要加载的信息，包括版本、field、方法、接口等信息）、final常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。

在HotSpot里经常被称为 永久代，在Java 8里已被废除了，被元空间（Meta-space，本地内存中实现）取代。

方法区在物理上也不需要是连续的，可以选择固定大小或可扩展大小，并且方法区比堆还多了一个限制：可以选择是否执行垃圾收集。一般的，方法区上执行的垃圾收集是很少的，这也是方法区被称为永久代的原因之一（HotSpot），但这也不代表着在方法区上完全没有垃圾收集，方法区上的垃圾收集主要是针对 常量池的内存回收 和 对已加载类的卸载 。

根据《Java虚拟机规范》的规定，如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

二、知识扩展

1、运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）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 常量池表（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种 字面量 与 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。

除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把由符号引用翻译出来的 直接引用 也存储在运行时常量池中。

运行时常量池具备 动态性。运行期间也可以将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法。

既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

2、直接内存

直接内存（Direct Memory）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。

在JDK 1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）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堆里面的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，则肯定还是会受到本机总内存（包括物理内存、SWAP分区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制，一般服务器管理员配置虚拟机参数时，会根据实际内存去设置-Xmx等参数信息，但经常忽略掉直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

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