JVM 內存結構

Java虛擬機的內存空間分爲5個部分

程序計數器
Java虛擬機棧
本地方法棧
堆
方法區

JDK1.8同JDK1.7相比，最大的差別就是：元數據區取代了永久代。元空間的本質和永久代類似，都是對JVM規範中方法區的實現。不過元空間與永久代之間最大的區別在於：元數據空間並不在虛擬機中，而是使用本地內存。

程序計數器（PC 寄存器）

程序計數器的定義

程序計數器是一塊較小的內存空間，是當前線程正在執行的那條字節碼指令的行號指示器；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、跳準、異常處理、線程恢復等基本功能都需要依賴這個計數器來完成。若當前線程正在執行的是一個本地方法，那麼此時程序計數器爲Undefined。

程序計數器的作用

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。
在多線程情況下，程序計數器記錄的是當前線程執行的位置，從而當線程切換回來時，就知道上次線程執行到哪來。

程序計數器的特點

是一塊較小的內存空間。
線程私有，每條線程都有自己的程序計數器。
生命週期：隨着線程的結束而銷燬。
是唯一一個不會出現OutofMemoryError的內存區域。

Java 虛擬機棧（Java棧）

Java虛擬機棧的定義

Java虛擬機棧是描述Java方法運行過程的內存模型。
Java虛擬機棧會爲每一個即將運行的Java方法創建一塊叫做“棧幀”的區域，用於存放該方法運行過程中的一些信息，如：

局部變量表
操作數棧
動態鏈接
方法出口信息
…

壓棧出棧的過程

當方法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中的局部變量表中。
Java 虛擬機棧的棧頂的棧幀是當前正在執行的活動棧，也是當前正在執行的方法，PC 寄存器也會指向這個地址。只有這個活動的棧幀的本地變量可以被操作數棧使用，當在這個棧幀中調用另一個方法，與之對應的棧幀又會被創建，新創建的棧幀壓入棧頂，變爲當前的活動棧幀。

方法結束後，當前棧幀被移出，棧幀的返回值變成新的活動棧幀中操作數棧的一個操作數。如果沒有返回值，那麼新的活動棧幀中操作數棧的操作數沒有變化。

Java虛擬機的特點

局部變量表隨着棧幀的創建而創建，它的大小在編譯時確定，創建時只需分配實現規定的大小即可。在方法運行過程中，局部變量表的大小不會發生改變。
Java虛擬機棧會出現兩種異常：StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError.
- StackOverFlowError 若 Java 虛擬機棧的大小不允許動態擴展，那麼當前線程請求棧的深度超過當前 Java 虛擬機棧的最大深度時，拋出StackOverFlowError 異常
- OutOfMemoryError 若允許動態擴展，那麼當前線程請求棧時內存用完了，無法再動態擴展時，拋出 OutOfMemoryError 異常。
Java 虛擬機棧也是線程私有的，隨着線程的創建而創建，隨着線程的結束而銷燬。

本地方法棧（C棧）

本地方法棧的定義

本地方法棧是爲 JVM 運行 Native 方法準備的空間，由於很多Native方法都是用 C 語言實現的，所以它通常又叫 C 棧。它與 Java 虛擬機棧的實現的功能類似，只不過本地方法棧是描述本地方法運行過程的內存模型。

棧幀變化的過程

本地方法被執行時，在本地方法棧也會創建一塊棧幀，用於存放該方法的局部變量表，操作數棧、動態鏈接、方法出口信息等。

方法執行結束後，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

堆

堆的定義

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。

堆的特點

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。
在虛擬機啓動時創建。
是垃圾回收的主要場所。
進一步可分爲：新生代、老年代、

不同的區域存放不同的生命週期的對象，這樣可以根據不同的區域使用不同的垃圾回收算法，更具針對性。

堆的大小既可以固定也可以擴展，但對於主流的虛擬機，堆的大小是可擴展的，因此當前線程請求分配內存，但堆已滿，且內存無法再擴展時，就拋出 OutOfMemoryError 異常。

方法區

方法區定義

Java 虛擬機規範中定義方法區是堆的一個邏輯部分。方法區存放一下信息：

已經被虛擬機加載的類的信息
常量
靜態變量
即時編譯器編譯後的代碼

方法區的特點

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。
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。把方法區成爲“永久代”。
內存回收效率低。方法區中的信息一般需要長期存在，回收一遍之後可能只有少量信息無效。主要回收目標是：堆常量池的回收；對類型的卸載。
Java 虛擬機規範對方法區的要求比較寬鬆。和堆一樣，允許固定大小，也允許動態擴展，還允許不實現垃圾回收。

運行時常量池

方法區中存放：類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯後的代碼。常量就存放在運行時常量池中。

當類被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，可以想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。

直接內存（堆外內存）

直接內存是除 Java 虛擬機之外的內存，但也可能被 Java 使用。

操作直接內存

在 NIO 中引入了一種基於通道和緩衝的 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堆中的DirectByteBuffer對象直接操作該內存，而無須先將外部內存中的數據複製到堆中再進行操作，從而提高了數據操作的效率。

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 OutOfMemoryError 異常。

直接內存與堆內存比較

直接內存申請空間耗費更高的性能
直接內存讀取 IO 的性能要優於普通的堆內存。
直接內存作用鏈：本地 IO -> 直接內存 -> 本地 IO
堆內存作用鏈：本地 IO -> 直接內存 -> 非直接內存 -> 直接內存 -> 本地 IO

服務器管理員在配置虛擬機參數時，會根據實際內存設置-Xmx等參數信息，但經常忽略直接內存，使得各個內存區域總和大於物理內存限制，從而導致動態擴展時出現OutOfMemoryError異常。