對於開發人員來說，如果不瞭解Java的JVM，那真的是很難寫得一手好代碼，很難查得一手好bug。同時，JVM也是面試環節的中重災區。今天開始，《JVM詳解》系列開啓，帶大家深入瞭解JVM相關知識。
我們不能爲了面試而面試，但是學習會這些核心知識你必定會成爲面試與工作中“最亮的一顆星”。本系列首發於微信公衆號“程序新視界”。下面，開啓我們的第一篇文章《JVM之內存結構詳解》。
思考一下
學習一項知識總該知道爲什麼學習吧。有人會說，這些寫代碼好像又用不上，貌似所有的事情JVM都替我們做好了。那就，思考一下爲什麼要學習JVM虛擬機結構。
那你是否遇到這樣的困惑：堆內存該設置多大？OutOfMemoryError異常到底是怎麼引起的？如何進行JVM調優？JVM的垃圾回收是如何？甚至創建一個String對象，JVM都做了些什麼？
這些疑問隨着學習的深入都會慢慢得到解答，而要解決這些問題的第一步，就是先了解JVM的構成。
JVM內存結構
java虛擬機在執行程序的過程中會將內存劃分爲不同的數據區域，看一下下圖。
如果理解了上圖，JVM的內存結構基本上掌握了一半。通過上圖我們可以看到什麼？外行看熱鬧，內行看門道。從圖中可以得到如下信息。
- 第一，JVM分爲五個區域：虛擬機棧、本地方法棧、方法區、堆、程序計數器。PS：大家不要排斥英語，此處用英文記憶反而更容易理解。
- 第二，JVM五個區中虛擬機棧、本地方法棧、程序計數器爲線程私有，方法區和堆爲線程共享區。圖中已經用顏色區分，綠色表示“通行”，橘黃色表示停一停（需等待）。
- 第三，JVM不同區域的佔用內存大小不同，一般情況下堆最大，程序計數器較小。那麼最大的區域會放什麼？當然就是Java中最多的“對象”了。
學習延伸：如果你記住了這張圖，是不是就可以說出關於JVM的內存結構了呢？可以嘗試一下，切記不用死記硬背，發揮你的想象。
堆（Heap）
上面已經得出結論，堆內存最大，堆是被線程共享，堆的目的就是存放對象。幾乎所有的對象實例都在此分配。當然，隨着優化技術的更新，某些數據也會被放在棧上等。
槍打出頭鳥，樹大招風。因爲堆佔用內存空間最大，堆也是Java垃圾回收的主要區域（重點對象），因此也稱作“GC堆”（Garbage Collected Heap）。
關於GC的操作，我們後面章節會詳細講，但正因爲GC的存在，而現代收集器基本都採用分代收集算法，堆又被細化了。
同樣，對上圖呈現內容彙總分析。
第一，堆的GC操作採用分代收集算法。
第二，堆區分了新生代和老年代；
第三，新生代又分爲：Eden空間、From Survivor（S0）空間、To Survivor（S1）空間。
Java虛擬機規範規定，Java堆可以處於物理上不連續的內存空間中，只要邏輯上是連續的即可。也就是說堆的內存是一塊塊拼湊起來的。要增加堆空間時，往上“拼湊”（可擴展性）即可，但當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（Method Area）
方法區與堆有很多共性：線程共享、內存不連續、可擴展、可垃圾回收，同樣當無法再擴展時會拋出OutOfMemoryError異常。
正因爲如此相像，Java虛擬機規範把方法區描述爲堆的一個邏輯部分，但目前實際上是與Java堆分開的（Non-Heap）。
方法區個性化的是，它存儲的是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。
方法區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，但是回收確實是有必要的。
程序計數器（Program Counter Register）
關於程序計數器我們已經得知：佔用內存較小，現成私有。它是唯一沒有OutOfMemoryError異常的區域。
程序計數器的作用可以看做是當前線程所執行的字節碼的行號指示器，字節碼解釋器工作時就是通過改變計數器的值來選取下一條字節碼指令。其中，分支、循環、跳轉、異常處理、線程恢復等基礎功能都需要依賴計數器來完成。
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刻，一個處理器（對於多核處理器來說是一個內核）只會執行一條線程中的指令。
因此，爲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，各條線程之間的計數器互不影響，獨立存儲，我們稱這類內存區域爲“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Natvie方法，這個計數器值則爲空（Undefined）。
虛擬機棧（JVM Stacks）
虛擬機棧線程私有，生命週期與線程相同。
棧幀(Stack Frame)是用於支持虛擬機進行方法調用和方法執行的數據結構。棧幀存儲了方法的局部變量表、操作數棧、動態連接和方法返回地址等信息。每一個方法從調用至執行完成的過程，都對應着一個棧幀在虛擬機棧裏從入棧到出棧的過程。
局部變量表(Local Variable Table)是一組變量值存儲空間，用於存放方法參數和方法內定義的局部變量。包括8種基本數據類型、對象引用（reference類型）和returnAddress類型（指向一條字節碼指令的地址）。
其中64位長度的long和double類型的數據會佔用2個局部變量空間（Slot），其餘的數據類型只佔用1個。
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；如果虛擬機棧動態擴展時無法申請到足夠的內存時會拋出OutOfMemoryError異常。
操作數棧(Operand Stack)也稱作操作棧，是一個後入先出棧(LIFO)。隨着方法執行和字節碼指令的執行，會從局部變量表或對象實例的字段中複製常量或變量寫入到操作數棧，再隨着計算的進行將棧中元素出棧到局部變量表或者返回給方法調用者，也就是出棧/入棧操作。
動態鏈接：Java虛擬機棧中，每個棧幀都包含一個指向運行時常量池中該棧所屬方法的符號引用，持有這個引用的目的是爲了支持方法調用過程中的動態鏈接(Dynamic Linking)。
方法返回：無論方法是否正常完成，都需要返回到方法被調用的位置，程序才能繼續進行。
本地方法棧（Native Method Stacks）
本地方法棧（Native Method Stacks）與虛擬機棧作用相似，也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。
區別在於虛擬機棧爲虛擬機執行Java方法（字節碼）服務，而本地方法棧是爲虛擬機使用到的Native方法服務。
小結
經過上面的講解，想必大家已經瞭解到JVM內存結構的基本情況。下面對照腦圖，歸納總結一下，看你能說出來多少。
