JVM運行時數據區域

參考自《深入理解JAVA虛擬機》第二版

第2章　Java記憶體區域與記憶體溢出異常

2.1　概述

對於Java程式員來說，在虛擬機自動記憶體管理機制的幫助下，不再需要為每一個new操作去寫配對的delete/free代碼，由虛擬機管理記憶體這一切看起來都很美好，一旦出現記憶體泄漏和溢出方面的問題，如果不瞭解虛擬機是怎樣使用記憶體的，那麼排查錯誤將會成為一項異常艱難的工作。

2.2　運行時數據區域

Java虛擬機在執行Java程式的過程中會把它所管理的記憶體劃分為若幹個不同的數據區域。這些區域都有各自的用途。

2.2.1　程式計數器

程式計數器（Program Counter Register）是一塊較小的記憶體空間，它可以看作是當前線程所執行的位元組碼的行號指示器。
在虛擬機的概念模型里，位元組碼解釋器工作時就是通過改變這個計數器的值來選取下一條需要執行的位元組碼指令，分支、迴圈、跳轉、異常處理、線程恢復等基礎功能都需要依賴這個計數器來完成。

由於Java虛擬機的多線程是通過線程輪流切換並分配處理器執行時間的方式來實現的，在任何一個確定的時刻，一個處理器都只會執行一條線程中的指令。因此，為了線程切換後能恢復到正確的執行位置，每條線程都需要有一個獨立的程式計數器，我們稱這類記憶體區域為線程私有的記憶體。

2.2.2　Java虛擬機棧

Java虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）是線程私有的，它的生命周期與線程相同。

虛擬機棧描述的是Java方法執行的記憶體模型：每個方法在執行的同時都會創建一個棧幀用於存儲局部變數表、操作數棧、動態鏈接、方法出口等信息。每一個方法從調用直至執行完成的過程，就對應著一個棧幀在虛擬機棧中入棧到出棧的過程。

局部變數表存放了編譯期可知的各種基本數據類型、對象引用和returnAddress類型（指向了一條位元組碼指令的地址）。

其中64位長度的long和double類型的數據會占用2個局部變數空間（Slot），其餘的數據類型只占用1個。

局部變數表所需的記憶體空間在編譯期間完成分配。

對這個區域規定了兩種異常狀況：如果線程請求的棧深度大於虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常；如果虛擬機棧可以動態擴展，如果擴展時無法申請到足夠的記憶體，就會拋出OutOfMemoryError異常。

2.2.3　本地方法棧

地方法棧（Native Method Stack）與虛擬機棧所發揮的作用是非常相似的，它們之間的區別不過是虛擬機棧為虛擬機執行Java方法（也就是位元組碼）服務，而本地方法棧則為虛擬機使用到的Native方法服務。

有的虛擬機（譬如Sun HotSpot虛擬機）直接就把本地方法棧和虛擬機棧合二為一。

本地方法棧區域也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

2.2.4　Java堆

Java堆（Java Heap）是Java虛擬機所管理的記憶體中最大的一塊。Java堆是被所有線程共用的一塊記憶體區域。幾乎所有的對象實例都在這裡分配記憶體。

Java堆是垃圾收集器管理的主要區域，因此很多時候也被稱做“GC堆”。現在收集器基本都採用分代收集演算法，所以Java堆中還可以細分為：新生代和老年代；再細緻一點的有Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間等。

Java堆可以處於物理上不連續的記憶體空間中，只要邏輯上是連續的即可，就像我們的磁碟空間一樣。當前主流的虛擬機都是按照可擴展來實現的（通過-Xmx和-Xms控制）。如果在堆中沒有記憶體完成實例分配，並且堆也無法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError異常。

2.2.5　方法區

方法區（Method Area）與Java堆一樣，是各個線程共用的記憶體區域，它用於存儲已被虛擬機載入的類信息、常量、靜態變數、即時編譯器編譯後的代碼等數據。

對於習慣在HotSpot虛擬機上開發、部署程式的開發者來說，很多人都更願意把方法區稱為“永久代”（Permanent Generation），本質上兩者並不等價，僅僅是因為HotSpot虛擬機的設計團隊選擇把GC分代收集擴展至方法區，或者說使用永久代來實現方法區而已。

但使用永久代來實現方法區，現在看來並不是一個好主意，因為這樣更容易遇到記憶體溢出問題。已經發佈的JDK 1.7的HotSpot中，已經把原本放在永久代的字元串常量池移出。

相對而言，垃圾收集行為在這個區域是比較少出現的，但並非數據進入了方法區就如永久代的名字一樣“永久”存在了。這區域的記憶體回收目標主要是針對常量池的回收和對類型的卸載。

2.2.6　運行時常量池

運行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區的一部分。Class文件中除了有類的版本、欄位、方法、介面等描述信息外，還有一項信息是常量池（Constant Pool Table），用於存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分內容將在類載入後進入方法區的運行時常量池中存放。

Java虛擬機對Class文件每一部分（自然也包括常量池）的格式都有嚴格規定,但對於運行時常量池，Java虛擬機規範沒有做任何細節的要求。

運行時常量池相對於Class文件常量池的另外一個重要特征是具備動態性，Java語言並不要求常量一定只有編譯期才能產生，也就是並非預置入Class文件中常量池的內容才能進入方法區運行時常量池，運行期間也可能將新的常量放入池中，這種特性被開發人員利用得比較多的便是String類的intern()方法。

既然運行時常量池是方法區的一部分，自然受到方法區記憶體的限制，當常量池無法再申請到記憶體時會拋出OutOfMemoryError異常。

2.2.7　直接記憶體

並不是虛擬機運行時數據區的一部分，也不是Java虛擬機規範中定義的記憶體區域。但是這部分記憶體也被頻繁地使用，而且也可能導致OutOfMemoryError異常出現。

在JDK 1.4中加入了NIO（New Input/Output）類，引入了一種基於通道（Channel）與緩衝區（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函數庫直接分配堆外記憶體，然後通過一個存儲在Java堆中的DirectByteBuffer對象作為這塊記憶體的引用進行操作。這樣能在一些場景中顯著提高性能，因為避免了在Java堆和Native堆中來回覆制數據。

伺服器管理員在配置虛擬機參數時，會根據實際記憶體設置-Xmx等參數信息，但經常忽略直接記憶體，使得各個記憶體區域總和大於物理記憶體限制。