1. 简介
JVM的内存结构大概分为：
- 堆（Heap）：线程共享。所有的对象实例以及数组都要在堆上分配。回收器主要管理的对象。
- 方法区（Method Area）：线程共享。存储类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码。
- 方法栈（JVM Stack）：线程私有。存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口，对象指针。
- 本地方法栈（Native Method Stack）：线程私有。为虚拟机使用到的Native 方法服务。如Java使用c或者c++编写的接口服务时，代码在此区运行。
- 程序计数器（Program Counter Register）：线程私有。有些文章也翻译成PC寄存器（PC Register），同一个东西。它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。指向下一条要执行的指令。
Java中共有三种变量，分别是类变量、成员变量和局部变量。他们分别存放在JVM的方法区、堆内存和栈内存中。
先看一张图，这张图能很清晰的说明JVM内存结构的布局和相应的控制参数：
2. 堆
堆的作用是存放对象实例和数组。从结构上来分，可以分为新生代和老年代。
而新生代又可以分为Eden 空间、From Survivor 空间（s0）、To Survivor 空间（s1）。
所有新生成的对象首先都是放在新生代的。需要注意，Survivor的两个区是对称的，没先后关系，所以同一个区中可能同时存在从Eden复制过来的对象，和从前一个Survivor复制过来的对象，而复制到老年代的只有从第一个Survivor区过来的对象。而且，Survivor区总有一个是空的。
2.1 控制参数
-Xms设置堆的最小空间大小。-Xmx设置堆的最大空间大小。-XX:NewSize设置新生代最小空间大小。-XX:MaxNewSize设置新生代最小空间大小。
2.2 垃圾回收
2.3 异常情况
如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError 异常
3. 方法区
方法区（Method Area）与Java 堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java 虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java 堆区分开来。
很多人愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC 分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。对于其他虚拟机（如BEA JRockit、IBM J9 等）来说是不存在永久代的概念的。在Java8中永生代彻底消失了。
3.1 控制参数
-XX:PermSize 设置最小空间 -XX:MaxPermSize 设置最大空间。
3.2 垃圾回收
对此区域会涉及但是很少进行垃圾回收。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意。
3.3 异常情况
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。
4. 方法栈
每个线程会有一个私有的栈。每个线程中方法的调用又会在本栈中创建一个栈帧。在方法栈中会存放编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference 类型，它不等同于对象本身。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。
4.1 控制参数
4.2 异常情况
在Java 虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：
- StackOverflowError： 异常线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度时抛出；
- OutOfMemoryError 异常： 虚拟机栈可以动态扩展，当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出。
5. 本地方法栈
本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native 方法服务。
5.1 控制参数
在Sun JDK中本地方法栈和方法栈是同一个，因此也可以用-Xss控制每个线程的大小。
5.2 异常情况
与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError 和OutOfMemoryError异常。
6. 程序计数器
6.1 异常情况
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。、
7. 堆和栈的区别
JVM是基于堆栈的虚拟机.JVM为每个新创建的线程都分配一个堆栈.也就是说,对于一个Java程序来说，它的运行就是通过对堆栈的操作来完成的。堆栈以帧为单位保存线程的状态。JVM对堆栈只进行两种操作:以帧为单位的压栈和出栈操作。
7.1 差异
1.堆内存用来存放由new创建的对象和数组。
2.栈内存用来存放方法或者局部变量等
3.堆是先进先出，后进后出
4.栈是后进先出，先进后出
7.2 相同
1.都是属于Java内存的一种
2.系统都会自动去回收它，但是对于堆内存一般开发人员会自动回收它
8. 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 虚拟机规范中农定义的内存区域。在JDK1.4 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，然后通脱一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。
NIO的Buffer提供了一个可以不经过JVM内存直接访问系统物理内存的类——DirectBuffer。 DirectBuffer类继承自ByteBuffer，但和普通的ByteBuffer不同，普通的ByteBuffer仍在JVM堆上分配内存，其最大内存受到最大堆内存的限制；而DirectBuffer直接分配在物理内存中，并不占用堆空间，其可申请的最大内存受操作系统限制。
直接内存的读写操作比普通Buffer快，但它的创建、销毁比普通Buffer慢（猜测原因是DirectBuffer需向OS申请内存涉及到用户态内核态切换，而后者则直接从堆内存划内存即可）。
因此直接内存使用于需要大内存空间且频繁访问的场合，不适用于频繁申请释放内存的场合。
（Note：DirectBuffer并没有真正向OS申请分配内存，其最终还是通过调用Unsafe的allocateMemory()来进行内存分配。不过JVM对Direct Memory可申请的大小也有限制，可用-XX:MaxDirectMemorySize=1M设置，这部分内存不受JVM垃圾回收管理。）
9.思考题
9.1 运行时数据区中哪些区域是线程共享的？哪些是独享的
在JVM运行时内存区域中，PC寄存器、虚拟机栈和本地方法栈是线程独享的。
而Java堆、方法区是线程共享的。但是值得注意的是，Java堆其实还为每一个线程单独分配了一块TLAB空间，这部分空间在分配时是线程独享的，在使用时是线程共享的。
9.2 除了JVM运行时内存以外，还有什么区域可以用吗？
除了我们前面介绍的虚拟机运行时数据区以外，还有一部分内存也被频繁使用，他不是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，他就是——直接内存。
直接内存的分配不受Java堆大小的限制，但是他还是会收到服务器总内存的影响。
在JDK 1.4中引入的NIO中，引入了一种基于Channel和Buffer的I/O方式，他可以使用Native函数直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的应用进行操作。
9.3 堆和栈的区别是什么？
堆和栈（虚拟机栈）是完全不同的两块内存区域，一个是线程独享的，一个是线程共享的，二者之间最大的区别就是存储的内容不同：
堆中主要存放对象实例。
栈（局部变量表）中主要存放各种基本数据类型、对象的引用。
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9.4 Java中的数组是存储在堆上还是栈上的？
在Java中，数组同样是一个对象，所以对象在内存中如何存放同样适用于数组；
所以，数组的实例是保存在堆中，而数组的引用是保存在栈上的。
9.5 Java中的对象创建有多少种方式？
java中有很多方式可以创建一个对象，最简单的方式就是使用new关键字。
User user = new User();
除此以外，还可以使用反射机制创建对象：
User user = User.class.newInstance();
或者使用Constructor类的newInstance：
Constructor<User> constructor = User.class.getConstructor();User user = constructor.newInstance();
9.6 Java中对象创建的过程是怎么样的？
对于一个普通的Java对象的创建，大致过程如下：
1、虚拟机遇到new指令，到常量池定位到这个类的符号引用。
2、检查符号引用代表的类是否被加载、解析、初始化过。
3、虚拟机为对象分配内存。
4、虚拟机将分配到的内存空间都初始化为零值。
5、虚拟机对对象进行必要的设置。
6、执行方法，成员变量进行初始化。
9.7 不同的虚拟机在实现运行时内存的时候有什么区别？
《Java虚拟机规范》定义的JVM运行时所需的内存区域，不同的虚拟机实现上有所不同，而在这么多区域中，规范对于方法区的管理是最宽松的，规范中关于这部分的描述如下：
方法区在虚拟机启动的时候创建，虽然方法区是堆的逻辑组成部分，但是简单的虚拟机实现可以选择在这个区域不实现垃圾收集与压缩。本版本的规范也不限定实现方法区的内存位置和代码编译的管理策略。方法区的容量可以是固定的，也可以随着程序执行的需求动态扩展，并在不需要过多的空间时自行收缩。方法区在实际内存空间站可以是不连续的。
这一规定，可以说是给了虚拟机厂商很大的自由。
虚拟机规范对方法区实现的位置并没有明确要求，在最著名的HotSopt虚拟机实现中（在Java 8 之前），方法区仅是逻辑上的独立区域，在物理上并没有独立于堆而存在，而是位于永久代中。所以，这时候方法区也是可以被垃圾回收的。
实践证明，JVM中存在着大量的声明短暂的对象，还有一些生命周期比较长的对象。为了对他们采用不同的收集策略，采用了分代收集算法，所以HotSpot虚拟机把的根据对象的年龄不同，把堆分位新生代、老年代和永久代。
在Java 8中 ，HotSpot虚拟机移除了永久代，使用本地内存来存储类元数据信息并称之为：元空间（Metaspace）
9.8 如何获取堆和栈的dump文件？
Java Dump，Java虚拟机的运行时快照。将Java虚拟机运行时的状态和信息保存到文件。
可以使用在服务器上使用jmap命令来获取堆dump，使用jstack命令来获取线程的调用栈dump。
9.9 Java中的对象一定在堆上分配内存吗？
Java堆中主要保存了对象实例，但是，随着JIT编译期的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化，所有的对象都分配到堆上也渐渐变得不那么“绝对”了。
其实，在编译期间，JIT会对代码做很多优化。其中有一部分优化的目的就是减少内存堆分配压力，其中一种重要的技术叫做逃逸分析。
如果JIT经过逃逸分析，发现有些对象没有逃逸出方法，那么有可能堆内存分配会被优化成栈内存分配
10. 参考链接
直接内存：https://www.cnblogs.com/z-sm/p/6235157.html
https://www.kancloud.cn/zhangchio/springboot/806316
JVM内存结构和Java内存模型：https://zhuanlan.zhihu.com/p/38348646
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