概述

JVM是Java語言的精髓所在，因為它Java語言實現了跨平臺運行，以及自動內存管理機制等，本文將從概念上介紹JVM內存的各個區域，說明個區域的作用。

JVM運行時數據區模型

Java虛擬機在執行Java程序的過程中會把它所管理的內存劃分成若幹個不同的數據區域，這些數據區域都有各自的用途，以及創建和銷毀時間，Java虛擬機所管理的內存將會包括以下幾個運行時數區域

程序計數器

程序計數器是一塊比較小的內存空間，它可以看做是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。在虛擬機的概念模型裏，字節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字節碼指令，分支、循環、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間，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序計數器，各條線程之間計數器互不影響，獨立存儲，我們稱這類內存區域為“線程私有”的內存。

如果線程正在執行的是一個Java方法，這個計數器記錄的是正在執行的虛擬機字節碼指令的地址；如果正在執行的是Native方法，這個計數器值則為空。此內存區域是唯一一個在Java虛擬機規範中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域。

Java虛擬機棧

與程序計數器一樣，Java虛擬機棧也是線程私有的

經常有人把Java內存區分為堆內存和棧內存，這種分發比較粗糙，Java內存區域的劃分實現上遠比這個復雜。這種劃分方式比較流行只能說明大多數程序員最關註的，與對象內存分配關系最密切的內存區域就是這兩塊。所指的“堆”在後面會講到，所指的“棧”就是現在正在說的虛擬機棧，或者說是虛擬機棧中的局部變量表部分。

局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數據類型（boolean、byte、short、char、int、float、long、double）、對象引用（reference類型）和returnAddress類型。

其中64位長度的long和double類型的數據會占用兩個局部變量空間，其余的數據類型只占用一個。局部變量表所需的內存空間在編譯器期間完成分配，當進入一個方法時，這個方法所需要在棧幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的，在方法運行期間不會改變局部變量表的大小。

在Java虛擬機規範中，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；如果虛擬機可以動態擴展，如果擴展時無法申請到足夠的內存，就會拋出OutOfMemoryError異常。

本地方法棧

本地方法棧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位虛擬機執行Java方法服務，而本地方法棧則為虛擬機使用到的Native方法服務。在虛擬機規範中堆本地方法棧中的方法使用的語言、使用的方式與數據結構沒有強制的規定，因此具體的虛擬機可以自由實現它。

有些虛擬機（例如hotSpot）直接將本地方法棧與虛擬機棧合二為一；同時，與虛擬機棧一樣，本地方法棧區也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常

Java堆

對於大多數應用來說，Java堆是Java虛擬機所管理的內存中最大的一塊。Java堆是被所有線程共享的一塊內存區域，在虛擬機啟動時創建。此內存區域的唯一目的就是存放對象順利，幾乎所有的對象實力都在這裏進行分配。這一點Java虛擬機規範中的描述是：所有的對象實例以及數據都要在堆上分配，但是隨著JIT編譯器的發展和逃逸分析技術逐漸成熟，棧上分配、標量替換優化技術將會導致一些微妙的變化發生，所有的對象都分配在多少也逐漸變得不是那麽“絕對”了。

Java堆是垃圾收集器管理的主要區域，因此很多時候也被成為”GC堆”。從內存回收的角度來看，由於現在的收集器基本上都采用分代收集算法，所以Java堆還可以細分為：新生代和老年代；再細致一點可以分為Eden空間、From Survivor空間、To survivor空間等。從內存分配的角度來看，線程共享的Java堆中可能劃分出多個線程私有的分配緩沖區，不過無論如何劃分，都與存放內容無關，無論哪個區域，存儲的都依然是對象實例，進一步劃分的目的是為了更好地回收內存，或者更快的分配內存。在堆中沒有內存完成實例分配，並且堆也無法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError異常。

方法區

方法區與Java堆一樣，是各個線程共享的內存區域，它用於存儲已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數據。雖然Java虛擬機規範把方法區描述為堆的一個邏輯部分，但是它卻有一個別名叫做“非堆”，目的應該是與Java堆區分開來。

很多人都願意把方法區稱為永久代，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，這樣HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一樣管理這部分內存，能夠省去專門為方法區編寫內存管理代碼的工作。對於其他虛擬機，不存在永久代的概念。原則上，如何實現方法區是屬於虛擬機的實現細節，不受虛擬機規範束縛。

垃圾收集行為在這個區域是比較少出現的；這個區域的內存回收目標主要是針對常量池的回收和對類型的卸載。一般來說，這個區域的回收“成績”比較難以令人滿意；尤其是類型的卸載，條件相當苛刻。
Java虛擬機規範對方法區的限制非常的寬松，除了和Java堆一樣不需要連續的內存和可以選擇固定大小或者可擴展意外，還可以選擇不實現垃圾收集，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。這個區域的內存回收目標主要是針對常量池的回收和堆類型的卸載，一般來說，這個區域的回收確實是必要的。當方法區無法滿足內存分配的需求時，將拋出OutOfMemoryError異常。

運行常量池

運行常量池是方法區的一部分。Class文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項信息是常量池，用於存放編譯器生成的各個字面量和符號引用，這部門內容將在類加載後進入方法區的運行時常量池存放。

Java虛擬機堆Class文件每一部分的格式都有嚴格的規定，每一個字節用於存儲哪種數據都必須符合規範上的要求才會被虛擬機認可、裝載和執行，但對於運行時常量池，Java虛擬機規範每一個做任何細節上的要求，不同的供應商實現的虛擬機可以按照自己的要求來實現這個內存區域。不過，一般來說，除了保持Class文件中描述的符號引用外，還會把翻譯出來的直接引用也存儲在運行常量池中。

運行常量池相對於Class文件常量池的另外一個重要特性是具備動態性，Java語言並不要求常量一定只有在編譯期才能生成，也就是並非預置入Class文件中的常量池的內容才能進入方法區運行時常量池，運行期間也可能將心的常量放入池中，這種特性被開發人員利用的比較多的就是String類的intern()方法。

常量池無法再申請到內存時會拋出OutOfMemoryError異常。

直接內存

直接內存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內存區域。但是這部分的內存也被頻繁的使用，而且也可能導致內存溢出的異常。

在JDK1.4中加入了NIO類，引入了一種基於通道的I/O方式，它可以使用Native函數庫直接分配堆外內存，然後通過一個存儲在Java堆中的DirectByteBuffer對象作為這塊內存的引用進行操作。這樣能在一些場景中顯著的提高性能，因為避免了在Java堆和Native堆中來回復制數據。

顯然，本機直接內存的分配不受到Java堆大小的限制，但是，既然是內存，肯定還是會受到本機總內存大小以及處理器尋址空間的限制。

如果忽略掉直接內存，使得各個內存區域的總和大於物理內存限制（包括物理上和操作系統級別的限制），就會導致動態擴展時出現OutOfMemoryError.

本文參考自：《深入理解Java虛擬機》

深入理解JVM虛擬機：（一）Java運行時數據區域