JVM内存结构详解

事实上，每个Java程序都离不开Java虚拟机，Java程序的运行依靠具体的Java虚拟机实例。JVM在Java的程序运行中起到了关键性的作用，JVM内存结构为JVM在Java程序运行中取得了不可忽略的地位。

JVM在Java程序运行时把它所管理的内存划分为几个不同的数据区域：程序计数器(Program Counter Register)、虚拟机栈(VM Stack)、本地方法栈(Native Method Stack)、 方法区(Method Area)、堆(Heap)。

JVM内存结构如下图所示：

如上图所示，方法区和堆为线程共享区，虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器为线程独占区。方法区则是虚拟机规范中对运行时数据区划分的一个内存区域，不同的虚拟机厂商可以有不同的实现，而HotSpot虚拟机以永久代来实现方法区，所以方法区是一个规范，而永久代则是其中的一种实现方式。

1.程序计数器/寄存器

程序计数器(Program Counter Register)，也有称作为PC寄存器。程序计数器是一块较小 的空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

如果线程执行的是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undefined。

JVM的多线程是通过线程轮流切换并分配CPU执行时间片的方式来实现的，任何一个时刻，一个CPU都只会执行一条线程中的指令。为了保证线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各线程间的程序计数器独立存储，互不影响。

此区域是唯一一个在java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域，因为程序计数器是由虚拟机内部维护的，不需要开发者进行操作。

2.Java虚拟机栈

描述的是java 方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候 都会创建一个“栈帧”用于存储局部变量表(包括参数)、操作栈、方法出口等信息。每个方法被调用到执行完的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。声明周期与线程相同，是线程私有的。

局部变量表存放了编译器可知的各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(引用指针，并非对象本身)，其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量的空间，其余数据类型只占1个。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，这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量是完全确定的，在运行期间栈帧不会改变局部变量表的大小空间。

3.本地方法栈

与虚拟机栈基本类似，区别在于虚拟机栈为虚拟机执行的java方法服务，而本地方法栈则是为Native方法服务。HotSpot虚拟机不区分虚拟机栈和本地方法栈，两者是一块的。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

4.堆

JVM管理的最大的一块内存区域，存放着对象的实例，是线程共享区。

堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称为“GC堆”。

JAVA堆的分类：

从内存回收的角度上看，可分为新生代(Eden空间，From Survivor空间、To Survivor空间)及老年代(Tenured Gen)

从内存分配的角度上看，为了解决分配内存时的线程安全性问题，线程共享的JAVA堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区(TLAB)

JAVA堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可。

可通过参数 -Xmx -Xms 来指定运行时堆内存的大小，堆内存空间不足也会抛OutOfMemoryError异常。

5.方法区

也称”永久代” 、“非堆”，它用于存储虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、是各个线程共享的内存区域。默认最小值为16MB，最大值为64MB，可以通过-XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 参数限制方法区的大小。

运行时常量池：是方法区的一部分，其中的主要内容来自于JVM对Class的加载。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译器生成的各种符号引用，这部分内容将在类加载后放到方法区的运行时常量池中。

6.直接内存(Direct Memory)

直接内存并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，它直接从操作系统中分配，因此不受Java堆大小的限制，但是会受到本机总内存的大小及处理器寻址空间的限制，因此它也可能导致OutOfMemoryError异常出现。在JDK1.4中新引入了NIO机制，它是一种基于通道与缓冲区的新I/O方式，可以直接从操作系统中分配直接内存，即在堆外分配内存，这样能在一些场景中提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

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