JVM--运行时数据区

运行时数据区

Java虚拟机在执行Java程序时，会把它所管理的内存划分为若干个数据区域，这些区域各有各的用途。

运行时数据区有五部分：

1. 程序计数器
2. 虚拟机栈
3. 本地方法栈
4. 方法区
5. 堆

1  程序计数器

特点：

• 线程私有
• 占用内存空间较小

程序计数器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。由于Java多线程是通过线程轮换分配处理器实现的，因此为了线程切换后能够恢复到正确位置，每条线程都需要一个独立的程序计数器。也就是说程序计数器是“线程私有”的。

如果线程正在执行一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Native方法，这个计数器的值为空（Undefined）。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。

2  Java虚拟机栈

*Java数据区最重要的就是堆区和栈区，这两个区域会详细介绍。

Java栈区详细介绍

特点：

• 线程私有
• 描述的是Java方法执行的内存模型
• 关键知识点：栈帧

每个方法执行时会创建一个栈帧（栈帧是方法运行时的基础数据结构）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法从调用到执行完成的过程，就对应一个栈帧在虚拟机栈中的入栈和出栈的过程。

栈帧中的局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型、对象引用类型（注意只是引用句柄而不是对象本身）。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法所需在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。

两种异常情况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展但在扩展中无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

3  本地方法栈

特点：

• 与虚拟机栈非常类似
• 线程私有
• 为Native方法提供服务

本地方法栈与虚拟机栈非常类似，他们之间的区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java服务，本地方法栈为虚拟机执行Native方法服务。

本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

4  Java堆

Java堆区详细介绍

特点：

• 线程共享
• 存放对象实例
• 是Java内存区域中最大的部分
• 是GC的最主要的区域

Java堆是虚拟机所管理的内存中最大的一块，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。这块区域是“线程共享”的。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称作“GC堆”。由于现在垃圾收集器基本采用分代收集算法，所以Java堆还可以细分为新生代和老年代。Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上连续即可。如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

5  方法区

特点：

• 存放静态信息等，比如类信息
• 线程共享
• 可以进行GC，也可以不进行GC

方法区和Java堆一样是线程共享的，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等数据。

Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松：除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。当方法区无法满足内存分配需求时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

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、方法、接口等描述信息外，还有一项信息：常量池。常量池用来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。

Java虚拟机规范没有对运行时常量池进行任何细节要求，一般来说，除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。运行时常量池相对于Class文件常量池的另一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只在编译期产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入运行时常量池，运行期间也可以将新的常量放入其中。

当运行时常量池无法再申请到内存时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

6  另外：直接内存

特点：

• 并不是Java运行时数据区的一部分

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，Java虚拟机规范中也没有定义该区域。但这部分内存也被频繁使用，也可能导致OutOfMemoryError异常，所以放在一起对比理解。

Java增加了NIO（new input/output）类，引入了一种基于通道与缓冲区的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操作。这样在一些场景中避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据，显著提高性能。显然直接内存分配不会受到Java堆的限制，但肯定会受到本机内存的限制。