JVM学习笔记-Java虚拟机的运行时数据区域

1、运行时数据区域

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把他所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而启动，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规范（JavaSE 7版）》的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域，如下图所示：

2、程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。
每个线程都有一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器也互不影响，独立存储，所以程序计数器是“线程私有”的。
当执行Java方法时，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，如果执行的是Native方法，这个计数器则为空（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。

3、Java虚拟机栈

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的。它的生命周期与线程相同。Java虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的时候都会创建一个栈帧（Stack Frame）用来存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口灯信息。每个方法从调用到执行完成的过程，其实就对应着一个栈帧在虚拟机中入栈到出栈的过程。
局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型、对象引用和returnAddress类型。其中，64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot）,其余的数据类型只占用1个。局部变量表所需要的内存空间在编译期完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要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。
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，如果扩展时无法申请到足够内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

4、本地方法栈

本地方法栈和Java虚拟机栈类似，只是服务的对象不一样而已。前者为虚拟机使用到Native方法服务，而后者则是为虚拟机执行Java方法服务。

5、Java堆

Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时被创建。Java堆的唯一目的就是存放对象实例。
Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被成为“GC堆”（Garbage Collected Heap）。根据垃圾收集器采用的收集算法，又可以细分成新生代和老生代。
根据Java虚拟机的规定，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。当在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，就会抛出OutOfMemoryError异常。

6、方法区

方法区也是线程共享的内存区域，它用来存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。
根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

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，还有一项信息是常量池，用于存放编译期生成的各类字面量和符号引用，这部分内容将在了加载后进入方法区的运行时常量池中存放。当常量池无法再申请到内存时，也会抛出OutOfMemoryError异常。

7、直接内存

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。
在Jdk 1.4中新加入了NIO(New Input/Output)类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）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DirctByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能够在一些场景中显著提高性能，因此避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。
本机直接内存分配不受Java堆大小的限制，但是还是会收本机总内存的大小以及处理器寻址空间的限制。因此，当各个内存区域综合大于物理内存限制，从而导致动态扩展时，出现OutOfMemoryError异常。