Java内存区域

概述

对于咱们java程序员来讲，在虚拟机自动内存管理的机制下，不须要像C++那样去为每个new操做写配对的delete/free代码，不容易出现内存泄露和内存溢出的问题。不过，也正是由于java程序员把内存管理的权利交给了java虚拟机，一旦出现内存泄露和溢出方面的问题，若是不了解虚拟机是怎样使用内存的, 那么排查定位错误将会变得异常艰难。

本文章笔者将介绍java虚拟机的内存的各个区域，讲解这些区域的做用，服务对象及其中可能产生的问题。

运行时数据区域

Java虚拟机在执行Java程序的过程当中会把它所管理的内存划分为若干个不一样的数据区域。主要包括程序计数器、java虚拟机栈、本地方法栈、java堆和方法区这五个部分。以下图所示。

程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，他能够看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

因为Java虚拟机的多线程是经过线程轮流切换并分配处理器执行的时间的方式来实现的，在任何一个肯定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来讲是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。所以，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都须要一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，咱们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

若是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；若是正在执行的是Native方法，这个计数器值则为空（Undefined）。此内存区域是惟一一个在java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError状况的区域。

Java虚拟机栈

与程序计数器同样，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：每一个方法在执行的同时都会建立一个栈帧（Stack Frame）用于储存局部变量表、操做数栈、动态连接、方法出口等信息。每个方法从调用到完成的过程，就对应一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译器可知的各类基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它不等于对象自己，多是一个指向对象起始地址的引用指针，也多是指向一个表明对象的句柄或其余与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了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2个局部变量空间（SLot），其他的数据类型只占用1个。局部变量表所需的内存空间在编译器完成分配，当进入一个方法时，这个方法须要在帧中分配多大的局部变量空间是彻底肯定的，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状况：若是线程请求的栈深度大于虚拟机说容许的深度，将抛出StackOverflowError异常；若是虚拟机能够动态扩展（当前大部分的虚拟机栈均可以动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也容许固定长度的虚拟机栈），若是扩展时没法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常

本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈发挥的做用是很是类似的，它们之间的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，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并无强制规定，所以具体的虚拟机能够自由实现它。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。与虚拟机栈同样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆

对于大多数应用来讲，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机管理的内存区域中最大的一块。Java堆是被全部线程所共享的一块区域，在虚拟机启动时建立。此内存区域惟一的目的就是存放对象实例，几乎全部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，所以不少时候也被称为“GC堆”。从内存回收的角度来看，因为如今收集器基本都是采用分代收集算法，因此Java堆中还能够细分为：新生代和老年代；在细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。从内存分配的角度来看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。不过不管如何划分，都与存放内容无关，不管那个区域，存储的都是对象实例，进一步划分的目的是为了更好的回收内存，或者更快的分配内存。

根据Java虚拟机规范的规定，Java堆能够处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的便可，就像咱们的磁盘空间同样。在实现时，既能够实现城固定大小的，也能够是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（经过-Xmx和-Xms控制）。若是在堆中没有内存完成实例分配，而且堆也没法在扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

方法区（Method Area）与Java堆同样，是各个线程共享的区域，它用于已经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。

对于习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序的开发者来讲，不少人更愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上二者并不等价，仅仅是由于HotSpot虚拟机的设计团队选择吧GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法去而已，这样HotSpot的垃圾收集器就能够像管理Java堆同样管理这部份内存，可以省去专门为方法去编写内存管理代码的工做。对于其余虚拟机（如BEA JRockit、IBM J9等）来讲是不存在永久代的概念的。

根据Java虚拟机规范的规定，当方法区没法知足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

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（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各类字面量和符号引用，这部份内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

运行时常量池相对于Class文件常量池的另一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量必定只有编译期才能产生，也就是并不是预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也能够将新的常量放入池中，这种特性被开发人员引用的较多的是String类的intern()方法。

既然运行时常量池是方法区的一部分，天然受到方法去内存的限制，当常量池没法申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

直接内存

直接内存（Direct Memory）并非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。可是这部份内存也被频繁地使用，并且也可能致使OutOfMemoryError异常出现，因此我放在这里一块儿讲解。

在JDK1.4中新加入了NIO（New Inpu/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，它可使用Native函数库直接分配堆外内存，而后经过一个储存在Java堆中的DirectByteBuffer对象做为这块内存的引用进行操做。这样能在一些场景中显著提升性能，由于避免了在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，可是，既然是内存，确定仍是会受到本机中内存（包括RAM以及SWAP区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存配置-Xmx等参数信息，但常常忽略实际内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操做系统级的限制），从而致使动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

本文主要参考自《深刻理解Java虚拟机》周志明 著