Java虚拟机札记-Java内存区域划分

众所周知，Java程序员不需要为对象手动分配和释放内存。这要归功于虚拟机。但凡事有利就有弊，一旦出现内存溢出或泄露方面的问题，程序员如果不了解虚拟机是如何管理内存的，排查问题不是件容易的事情。本文将介绍Java虚拟机管理的各个内存区域，为以后学习虚拟机是如何管理内存打好基础。

根据《Java虚拟机规范》，Java虚拟机管理的内存可以分为以下几个运行时数据区域。

程序计数器、Java虚拟机栈和本地方法栈是“线程私有”的，这类内存区域会随着用户线程的启动和结束而建立和销毁。
Java栈和方法区是被所有线程共享的，会随着虚拟机的启动而存在。

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行字节码的行号指示器。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实现的。为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要一个独立的程序计数器，各线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称程序计数器为“线程私有”的内存。

如果线程正在执行的是一个 Java 方法，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，这个计数器的值为空。

程序计数器是唯一一个没有规定任何 OutOfMemoryError 的区域。

Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，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创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储

等信息。每一个方法被调用到执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。我们常说的“堆内存”指的就是Java虚拟机栈。
局部变量表存储了编译期可知的各种基本数据类型、引用类型、returnAddress类型。局部变量表的内存空间会在编译期间分配完成。
这个区域有两种异常情况：

本地方法栈（Native Method Stacks）和Java虚拟机栈很相似，区别在于Java虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（字节码）服务，而本地方法栈为虚拟机使用到的 Native 方法服务。

与Java虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出*Error和OutOfMemoryError两种异常。

对大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机中内存最大的一块。Java 堆在虚拟机启动时创建，被所有线程共享。作用是存放对象实例。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域。在介绍GC时会详细讲解这一部分。

这个区域有一种异常情况：OutOfMemoryError，如果在堆中没有完成内存分配，并且堆再也无法扩展时，将抛出此异常。

方法区（Method Area）被所有线程共享，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。

和 Java 堆一样，不需要连续的内存，可以选择固定的大小，更可以选择不实现垃圾收集。

这个区域有一种异常情况：OutOfMemoryError，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出此异常。
运行时常量池
运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。用于存放编译器中生成的各种字面量和符号引用。运行时常量池可以在运行期间将新的常量放入池中。

除了以上的集中虚拟机运行时数据区域，还有一种频繁被使用的内存需要注意：直接内存（Direct Memory）。

在JDK1.4中加入了NIO，引入了一种基于通道和缓冲区的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存。显然，这部分内存不会受到Java堆大小的限制，而在配置虚拟机参数时如果忽略了直接内存，可能会导致各个内存区域总和大于物理内存，出现OutOfMemoryError。

运行时内存区域	程序计数器	Java 虚拟机栈	本地方法栈	Java堆	方法区
线程私有/线程共享	私有	私有	私有	共享	共享
存储内容	如果线程正在执行的是一个 Java 方法，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，这个计数器的值为空。	局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口	可能和Java虚拟机栈相似	对象实例	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。
作用	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完成	描述Java 方法执行的内存模型	描述Native方法执行的内存模型	存储对象实例	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，运行时常量池即使方法区的一部分
可能的异常	无	*Error、OutOfMemoryError	同Java 虚拟机栈	OutOfMemoryError	OutOfMemoryError

本文已收录于Java并发编程札记专栏。
本文内容摘录或总结自《深入理解 Java 虚拟机》。

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