Java虚拟机运行时数据区结构详解

Java虚拟机运行时数据区结构如图所示

程序计数器

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

多线程切换时，为了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，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，这类区域称为“线程私有”内存。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。

Java虚拟机栈

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。

每个方法在执行的同时会创建一个栈帧（Stack Frame)，用于存储：

• 局部变量表。用于保存方法参数和方法内的局部变量，在编译阶段就确定了局部变量表的大小。保存有：
  • 基本数据类型。boolean、byte、char、short、int、float、long、double
  • 对象引用。可能是对象引用指针，也可能是指向引用对象的句柄或者其他相关位置。
  • returnAddress类型。指向一个字节码指令的地址。
• 操作数栈。当方法执行和字节码指令执行时，操作数栈从局部变量表复制常量或变量入栈；随后出栈返回给局部变量表或者方法调用者。
• 动态链接。相对应的是静态链接。静态链接是指将调用方法的符号引用转换为直接引用的过程称为静态链接。在代码编译阶段可知。动态链接是指被调用的目标方法在编译期无法被确定下来，只能够在程序运行期将方法的符号引用转换为直接引用。
• 方法出口。
  • 正常完成出口。方法正常退出时，恢复上层方法的局部变量表和操作数栈，把返回值(如果有的话)压入调用者的操作数栈中，调整PC计数器的值以指向方法调用指令后的下一条指令。
  • 异常完成出口。由异常处理器表控制。
    • StackOverflowError异常。虚拟机栈如果配置固定深度，当线程请求深度大于虚拟机允许的深度，将抛出StackOverflowError异常。
    • OutOfMemoryError异常。虚拟机栈如果配置动态扩展，当扩展时无法申请到足够大的内存，将抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，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。

有的虚拟机栈和本地方法栈会合二为一。

本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆

Java堆（Java Heap）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，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。所有的对象实例以及数组都要在堆上分配。

从内存回收角度看，java堆可以分为：

• Eden空间
• From Survivor空间
• To Survivor空间

从内存分配的角度看，java堆可以分为多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。

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，就像我们的磁盘空间一样。

当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制），如果堆中没有内存可以完成实例分配并且无法再扩展，将会抛出OutOfMemoryError异常。

• -Xms：堆内存的最小Heap值，默认为物理内存的1/64，但小于1G。默认当空余堆内存大于指定阈值时，JVM会减小heap的大小到-Xms指定的大小。
• -Xmx：堆内存的最大Heap值，默认为物理内存的1/4。默认当空余堆内存小于指定阈值时，JVM会增大Heap到-Xmx指定的大小。

方法区

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
• 常量
• 静态变量
• 即时编译器编译后的代码

方法区还有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的是与java堆区分开。

由于垃圾回收行为较少出现在方法区，所以很多人更愿意称方法区为“永久代”（Permanent Generation），这是不合适的。在更新版本的HotSpot虚拟机中，已经把原本放在永久代的字符串常量池移出。并非数据进入了方法区就如“永久代”的名字一样永远存在了，事实上，由于低版本的HotSpot虚拟机对方法区未完全回收，而产生了很多bug导致内存泄漏的问题。

当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

运行时常量池

class文件中的常量池（Constant Pool Table）用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法。

当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

直接内存

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。