JVM内存区域

简介

JVM虚拟机，也就是虚拟的计算机，它有自己虚拟的CPU、虚拟的内存等等，当然还有大名鼎鼎的垃圾回收器。第一篇我们来讲解一下JVM的虚拟内存。

Java运行时内存区域

Java虚拟机在启动时会根据JVM参数向操作系统申请内存，并将申请到的内存划分为不同的区域。这些区域的作用各不相同，有的区域在JVM启动时就已初始化并一直存在，有的区域则依赖于用户线程的启动和结束而建立和销毁。JVM的内存区域包含以下几个运行时数据区（图摘自深入理解JAVA虚拟机第三版）。

方法区

方法区(Method Area)是共享的内存区域，它用于保存JVM加载过的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。在jdk1.8以前的HotSpot中，方法区是通过永久代(Perm)实现的。永久代通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize指定，默认情况下-XX:MaxPermSize为64MB。一个大的永久区可以保存更多的类信息，如果永久区的内存被占满可能会发生内存溢出。值得注意的是，如果大量使用了动态代理，可能会在运行时产生大量的类而造成OOM。可以看到，用永久代实现的方法区不是一个很好的设计，由于运行时的情况很难预估，而永久代又必须指定一个MaxPermSize，由此操作的OOM时有发生。

在jdk1.6之后，HotSpot就已经有逐步放弃永久代转而通过本地内存来实现的计划了。到jdk1.7时的HotSpot，已经把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移出到了堆中。到了jdk1.8已经用元数据区MetaSpace代替了永久代。MetaSpace如果不指定内存大小，理论上可以使用计算机内存的最大值。

堆

和方法区一样，堆(Heap)也是共享的内存。方法区共享的是类信息和各种类对象，而堆里存放的是对象的实例和数组。堆是JVM中最大的一块内存空间，也是最容易发生OOM的内存空间。我们常说的垃圾回收器就是用来管理堆的，而垃圾回收器的算法又与JVM的响应时间和吞吐量密切相关，可以说堆是JVM中最重要的一块内存区。根据垃圾回收器的算法不同，堆也有不同的结构。关于堆的结构我们放在垃圾回收器的时候再探讨。

虚拟机栈

虚拟机栈是线程私有的，它的生命周期和线程相同。虚拟机栈里是一个或多个栈帧，线程每执行一个方法JVM都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接和返回值地址。

局部变量表存放了编译时期可知的各种Java虚拟机基本数据类型、对象引用、和returnAddress类型。这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽来表示，其中64位长度的long和double类型的数据会占用两个槽，其余的数据类型只占一个。局部表所需的内存空间在编译期完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈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。注意这里所说的大小是指槽的个数，具体每一个槽占用给多少字节由各自的虚拟机实现来自行决定。

操作数栈主要用于保存计算过程的中间结果。当遇见计算时，JVM会把参与计算的局部变量压入操作数栈，执行计算操作时再从栈中取出进行计算。可能有人在这里有所疑问，为什么不直接进行计算而需要一个操作数栈呢？其实直接计算只适用于最简单的操作，一旦计算很复杂就需要操作数栈来复制记忆计算顺序。如果对此还有疑问可以搜搜后缀表达式实现计算器的博文。

动态链接指向运行时中常量池中该栈帧所属方法的应用，该引用的目的是支持动态代理。

返回地址是标记本方法结束，也就是本栈帧结束后要跳转到哪个栈帧的哪一行继续执行。

关于虚拟机栈有两个常见的异常，一个是StackOverflowError（如果线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度），一个是OutOfMemoryError（如果栈扩展时无法申请到足够的内存）。

本地方法栈

本地方法栈和虚拟机栈的功能和结构是相近的，其区别是本地方法栈是为虚拟机使用到的本地方法（Native）方法服务。

《Java虚拟机规范》对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有任何强制规定，因此具体的虚拟机可以根据需要自由实现它，甚至有的Java虚拟机（譬如Hot-Spot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，本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失 败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

程序计数器

JVM的程序计数器和操作系统的计数器很类似，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。程序计数器只占很小的一块空间，而且不会出现扩容的情况，是JVM里唯一不会OOM的内存区域。

运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、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和符号引用，这部分内容将在类加载后存放方法区的运行时常量池中。

运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，也就是说除了Class文件中常量池以外，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的比较多的是String类的intern()方法。

运行时在方法区中也受到方法区内存的限制，当无法申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

直接内存

直接内存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。但是这部分内存也被频繁的使用，而且也会导致OOM异常。

jdk 1.4中新加入NIO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。这样能在一些情景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

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，但经常会忽略掉直接内存，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），从而引起OutOfMemoryError异常。

栈上分配

这里的栈指的就是虚拟机栈，分配指的是分配对象的实例。本来对象实例应该在堆中，受到垃圾回收器的管理，当大量的实例分配到堆上时可以引发OOM问题的产生。Java虚拟机提供了一种栈上分配的技术来解决这个问题，栈上分配的对象会随着方法的结束而自动释放。