JVM內存模型

Java虛擬機(Java Virtual Machine=JVM)的內存空間分為五個部分，分別是：
1. 程序計數器
2. Java虛擬機棧
3. 本地方法棧
4. 堆
5. 方法區。

下面對這五個區域展開深入的介紹。

1. 程序計數器

1.1. 什麽是程序計數器？

程序計數器是一塊較小的內存空間，可以把它看作當前線程正在執行的字節碼的行號指示器。也就是說，程序計數器裏面記錄的是當前線程正在執行的那一條字節碼指令的地址。
註：但是，如果當前線程正在執行的是一個本地方法，那麽此時程序計數器為空。

1.2. 程序計數器的作用

程序計數器有兩個作用：

1. 字節碼解釋器通過改變程序計數器來依次讀取指令，從而實現代碼的流程控制，如：順序執行、選擇、循環、異常處理。
2. 在多線程的情況下，程序計數器用於記錄當前線程執行的位置，從而當線程被切換回來的時候能夠知道該線程上次運行到哪兒了。
   
   

1.3. 程序計數器的特點

1. 是一塊較小的存儲空間
2. 線程私有。每條線程都有一個程序計數器。
3. 是唯一一個不會出現OutOfMemoryError的內存區域。
4. 生命周期隨著線程的創建而創建，隨著線程的結束而死亡。
   
   

2. Java虛擬機棧(JVM Stack)

2.1. 什麽是Java虛擬機棧？

Java虛擬機棧是描述Java方法運行過程的內存模型。
Java虛擬機棧會為每一個即將運行的Java方法創建一塊叫做“棧幀”的區域，這塊區域用於存儲該方法在運行過程中所需要的一些信息，這些信息包括：

1. 局部變量表
   存放基本數據類型變量、引用類型的變量、returnAddress類型的變量。
2. 操作數棧
3. 動態鏈接
4. 方法出口信息
5. 等

當一個方法即將被運行時，Java虛擬機棧首先會在Java虛擬機棧中為該方法創建一塊“棧幀”，棧幀中包含局部變量表、操作數棧、動態鏈接、方法出口信息等。當方法在運行過程中需要創建局部變量時，就將局部變量的值存入棧幀的局部變量表中。
當這個方法執行完畢後，這個方法所對應的棧幀將會出棧，並釋放內存空間。

註意：人們常說，Java的內存空間分為“棧”和“堆”，棧中存放局部變量，堆中存放對象。

2.2. Java虛擬機棧的特點

1. 局部變量表的創建是在方法被執行的時候，隨著棧幀的創建而創建。而且，局部變量表的大小在編譯時期就確定下來了，在創建的時候只需分配事先規定好的大小即可。此外，在方法運行的過程中局部變量表的大小是不會發生改變的。
2. Java虛擬機棧會出現兩種異常：StackOverFlowError和OutOfMemoryError。
   a) StackOverFlowError：
   若Java虛擬機棧的內存大小不允許動態擴展，那麽當線程請求棧的深度超過當前Java虛擬機棧的最大深度的時候，就拋出StackOverFlowError異常。
   b) OutOfMemoryError：
   若Java虛擬機棧的內存大小允許動態擴展，且當線程請求棧時內存用完了，無法再動態擴展了，此時拋出OutOfMemoryError異常。
3. Java虛擬機棧也是線程私有的，每個線程都有各自的Java虛擬機棧，而且隨著線程的創建而創建，隨著線程的死亡而死亡。

註：StackOverFlowError和OutOfMemoryError的異同？
StackOverFlowError表示當前線程申請的棧超過了事先定好的棧的最大深度，但內存空間可能還有很多。
而OutOfMemoryError是指當線程申請棧時發現棧已經滿了，而且內存也全都用光了。

3. 本地方法棧

3.1. 什麽是本地方法棧？

本地方法棧和Java虛擬機棧實現的功能類似，只不過本地方法區是本地方法運行的內存模型。

本地方法被執行的時候，在本地方法棧也會創建一個棧幀，用於存放該本地方法的局部變量表、操作數棧、動態鏈接、出口信息。

方法執行完畢後相應的棧幀也會出棧並釋放內存空間。

也會拋出StackOverFlowError和OutOfMemoryError異常。

4. 堆

4.1. 什麽是堆？

堆是用來存放對象的內存空間。
幾乎所有的對象都存儲在堆中。

4.2. 堆的特點

1. 線程共享
   整個Java虛擬機只有一個堆，所有的線程都訪問同一個堆。而程序計數器、Java虛擬機棧、本地方法棧都是一個線程對應一個的。
2. 在虛擬機啟動時創建
3. 垃圾回收的主要場所。
4. 可以進一步細分為：新生代、老年代。
   新生代又可被分為：Eden、From Survior、To Survior。
   不同的區域存放具有不同生命周期的對象。這樣可以根據不同的區域使用不同的垃圾回收算法，從而更具有針對性，從而更高效。
5. 堆的大小既可以固定也可以擴展，但主流的虛擬機堆的大小是可擴展的，因此當線程請求分配內存，但堆已滿，且內存已滿無法再擴展時，就拋出OutOfMemoryError。
   
   

5. 方法區

5.1. 什麽是方法區？

Java虛擬機規範中定義方法區是堆的一個邏輯部分。
方法區中存放已經被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯後的代碼等。

5.2. 方法區的特點

1. 線程共享
   方法區是堆的一個邏輯部分，因此和堆一樣，都是線程共享的。整個虛擬機中只有一個方法區。
2. 永久代
   方法區中的信息一般需要長期存在，而且它又是堆的邏輯分區，因此用堆的劃分方法，我們把方法區稱為老年代。
3. 內存回收效率低
   方法區中的信息一般需要長期存在，回收一遍內存之後可能只有少量信息無效。
   對方法區的內存回收的主要目標是：對常量池的回收 和 對類型的卸載。
4. Java虛擬機規範對方法區的要求比較寬松。
   和堆一樣，允許固定大小，也允許可擴展的大小，還允許不實現垃圾回收。
   
   

5.3. 什麽是運行時常量池？

方法區中存放三種數據：類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯後的代碼。其中常量存儲在運行時常量池中。

我們一般在一個類中通過public static final來聲明一個常量。這個類被編譯後便生成Class文件，這個類的所有信息都存儲在這個class文件中。

當這個類被Java虛擬機加載後，class文件中的常量就存放在方法區的運行時常量池中。而且在運行期間，可以向常量池中添加新的常量。如：String類的intern()方法就能在運行期間向常量池中添加字符串常量。

當運行時常量池中的某些常量沒有被對象引用，同時也沒有被變量引用，那麽就需要垃圾收集器回收。

6. 直接內存

直接內存是除Java虛擬機之外的內存，但也有可能被Java使用。

在NIO中引入了一種基於通道和緩沖的IO方式。它可以通過調用本地方法直接分配Java虛擬機之外的內存，然後通過一個存儲在Java堆中的DirectByteBuffer對象直接操作該內存，而無需先將外面內存中的數據復制到堆中再操作，從而提升了數據操作的效率。

直接內存的大小不受Java虛擬機控制，但既然是內存，當內存不足時就會拋出OOM異常。

綜上所述

1. Java虛擬機的內存模型中一共有兩個“棧”，分別是：Java虛擬機棧和本地方法棧。
   兩個“棧”的功能類似，都是方法運行過程的內存模型。並且兩個“棧”內部構造相同，都是線程私有。
   只不過Java虛擬機棧描述的是Java方法運行過程的內存模型，而本地方法棧是描述Java本地方法運行過程的內存模型。
2. Java虛擬機的內存模型中一共有兩個“堆”，一個是原本的堆，一個是方法區。方法區本質上是屬於堆的一個邏輯部分。堆中存放對象，方法區中存放類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯的代碼。
3. 堆是Java虛擬機中最大的一塊內存區域，也是垃圾收集器主要的工作區域。
4. 程序計數器、Java虛擬機棧、本地方法棧是線程私有的，即每個線程都擁有各自的程序計數器、Java虛擬機棧、本地方法區。並且他們的生命周期和所屬的線程一樣。
   而堆、方法區是線程共享的，在Java虛擬機中只有一個堆、一個方法棧。並在JVM啟動的時候就創建，JVM停止才銷毀。

深入理解JVM(一)——JVM內存模型