《深入理解Java虛擬機——JVM高級特性與最佳實踐（第三版）》閱讀筆記（二）
1. 程序計數器
程序計數器是一塊較小的內存空間，可以看作是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。在Java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，它是程序控制流的指示器，分支、循環、跳轉、異常處理、線程恢復等基礎功能都需要依賴這個計數器來完成。
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，各條線程之間計數器互不影響，獨立存儲。
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；如果正在執行的是本地（Native）方法，這個計數器值則應爲空（Undefined）。
2. Java虛擬機棧
Java虛擬機棧也是線程私有的，生命週期與線程相同。每個方法被執行時，Java虛擬機都會同步創建一個棧幀（Stack Frame）用於存儲局部變量表、操作數棧、動態鏈接、方法出口等信息。局部變量表存放了編譯器可知的各種Java虛擬機數據類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對象引用（reference類型，可能是一個指向對象起始地址的引用指針，也可能是指向一個代表對象的句柄或者其他與此相關的位置）和return Address類型（指向了一條字節碼指令的地址）。
這些數據類型在局部變量表中的存儲空間以局部變量槽（Slot）來表示，其中64位的long和double類型的數據會佔用兩個變量槽，其餘的數據只佔用一個。局部變量表所需的內存空間在編譯期間完成分配，方法運行期間是不會改變的。
在《Java虛擬機規範》中規定了兩個異常情況：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Java虛擬機棧容量可以動態擴展，當棧擴展時無法申請到足夠的內存會拋出OutOfMemoryError異常。
3. 本地方法棧
本地方法棧和Java虛擬機棧非常相似，區別就在於：虛擬機棧爲虛擬機執行Java方法（也就是字節碼）服務，而本地方法棧則是爲虛擬機使用到的本地（Native）方法服務。本地方法棧同樣會在棧深度溢出和棧擴展失敗時拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。
4. Java堆
Java堆是虛擬機管理的內存中最大的一塊，而且是被所有線程共享的一塊內存區域，同時也是垃圾收集器管理的內存區域，在虛擬機啓動時創建。此內存區域的唯一目的就是存放對象實例，幾乎所有的對象實例都在這裏分配內存。隨着Java語言的發展，即時編譯技術的進步，尤其是逃逸分析技術的日漸強大，棧上分配、標量替換優化手段已經導致一些微妙的變化悄然發生，因此Java對象實例都分配在堆上也漸漸變得不是那麼絕對了。
根據《Java虛擬機規範》的規定，Java堆可以處於物理上不連續的內存空間中，但在邏輯上是連續的。當前主流的Java虛擬機都是按照可擴展來實現的（通過參數-Xmx和-Xms設定），如果在Java堆中沒有內存完成實例分配，而且堆也無法再擴展時，Java虛擬機將會拋出OutOfMemoryError異常。
5. 方法區
方法區是各個線程共享的內存區域，它用於存儲已被虛擬機加載的類型信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯後的代碼緩存等數據。到了JDK 8版本，廢棄“永久代”設計方法，改用在本地內存中實現的元空間（Meta-space）來代替。如果方法區無法滿足新的內存分配需求時，將拋出OutOfMemoryError異常。
6. 運行時常量池
運行時常量池是方法區的一部分。Class文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項信息是常量池表（Constant Pool Table），用於存放編譯期生成的各種字面量與符號引用，這部分內容將在類加載後存放到方法區的運行時常量池中。運行時常量池具備動態性，並非預置入Class文件中常量池的內容才能進入方法區運行時常量池，運行期間也可以將新的常量放入池中。當常量池無法再申請到內存時會拋出OutOfMemoryError異常。
7. 直接內存
直接內存不是虛擬機運行時數據區的一部分，也不是《Java虛擬機規範》中定義的內存區域。但是這部分內存也被頻繁地使用，而且也可能導致OutOfMemoryError異常出現。在JDK 1.4中新加入了NIO(New Input/Output)類，引入了一種基於通道（Channel）與緩衝區（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函數庫直接分配堆外內存，然後通過一個存儲在Java堆裏面的DirectByteBuffer對象作爲這塊內存的引用進行操作。這樣能在一些場景中顯著提高性能，因爲避免了在Java堆和Native堆中來回複製數據。
本機直接內存的分配不會受到Java堆大小的限制，但是會受到本機總內存（包括物理內存、SWAP分區或者分頁文件）大小以及處理器尋址空間的限制。在動態擴展時有可能出現OutOfMemoryError異常。
參考資料
《深入理解Java虛擬機——JVM高級特性與最佳實踐（第三版）》