一 概述

对于java程序员来说，在虚拟机内存的自动内存管理机制的帮助下，不再需要为每一个对象去写匹配的 delete/ free 代码，不容易出现内存泄漏或内存溢出的问题。
正是因为把内存控制权交给了java虚拟机，一旦出现了内存泄漏或者是溢出的问题，排查错误会变得困难。

二、运行时数据区

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域，这些区域有各自的用途，以及创建时间和销毁时间。有的区域随着虚拟机进程的启动而一直存在，有些区域依赖用户的线程的启动和结束而建立和销毁。

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完整图如下

JVM 概述及各区域介绍 - 图2

2.1 程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，可以看成是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作时，就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令、分支、循环、异常处理、线程恢复等基础功能都是依赖这个计数器来完成。
由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换，分配处理器执行时间的方式来实现的。所以为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每个线程都需要一个独立的程序计数器。(“线程私有内存”)。
如果线程线程执行的是一个Java方法，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；如果正在执行的是一个Native方法简单地讲，一个Native Method就是一个java调用非java代码的接口，这个计数器为空(undefined)。
此内存区域是唯一一个在《虚拟机规范》中没有规定OutOfMemoryError情况的区域。

2.2 Java虚拟机栈

Java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同，虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型，每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧用于存储局部变量表，操作栈，动态链接，方法出口等信息。每一个方法被调用到执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

  • 局部变量表

保存函数的参数以及局部变量用的，局部变量表中的变量只在当前函数调用中有效，当函数调用结束后，随着函数栈帧的销毁，局部变量表也会随之销毁。
存放基本数据类型变量(boolean、byte、char、short、int、float)、引用类型的变量(reference)、returnAddress(指向一条字节码指令的地址)类型的变量。
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，这个方法需要在栈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的大小。(大小值得的变量槽的数量)

  • 操作数栈

主要用于保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间。只支持出栈入栈操作。在概念模型中，两个栈帧是相互独立的。但是大多数虚拟机的实现都会进行优化，令两个栈帧出现一部分重叠。令下面的部分操作数栈与上面的局部变量表重叠在一块，这样在方法调用的时候可以共用一部分数据，无需进行额外的参数复制传递。

  • 动态链接

每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属性方法的引用，持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接。在Class文件的常量池中存有大量的符号引用，字节码中的方法调用指令就以常量池中指向方法的符号引用为参数。这些符号引用一部分会在类加载阶段或第一次使用的时候转化为直接引用，这种转化 称为静态解析。另外一部分将在每一次的运行期期间转化为直接引用，这部分称为动态连接。

  • 方法出口信息

在方法退出之前，都需要返回到方法被调用的位置，程序才能继续执行，方法返回时可能需要在栈帧中保存一些信息，用来帮助恢复它的上层方法的执行状态。一般来说，方法正常退出时，调用者PC计数器的值就可以作为返回地址，栈帧中很可能会保存这个计数器值。而方法异常退出时，返回地址是要通过异常处理器来确定的，栈帧中一般不会保存这部分信息。
在《Java虚拟机规范》中，对这个区域规定了两种异常情况；

  • 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。eg:无限递归
  • 虚拟机栈进行动态的扩展时，如果无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError eg:创建 > GC回收。

    2.3 本地方法栈

    本地方法栈与虚拟机所发挥的作用是非常相似的，区别是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈为虚拟机使用到的native方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中使用的语言、方式并没有强制规定。因此虚拟机可以自有的实现它。有的虚拟机还会将虚拟机栈和本地方法栈合二为一。本地方法栈也会抛出异常。

    2.4 Java堆

    对于Java程序来说，Java堆是虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块区域内存，在虚拟机启动是创建，此内存区域的唯一目的就是存放对象实例。
    Java世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存，在《虚拟机规范》中对Java堆的描述是：所有对象实例以及数组都应当在堆上分配。随着Java语言的发展，现在已经能看到些许迹象表明日后可能出现值类型的支持，即使只考虑现在，由于即时编译技术的进步，尤其是逃逸分析技术的日渐强大，栈上分配、标量替换优化手段已经导致一些微妙的变化悄然发生，所以说Java对象实例都分配在堆上也渐渐变得不是那么绝对了。

根据《Java虚拟机规范》的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，但在逻辑上它应该被视为连续的，这点就像我们用磁盘空间去存储文件一样，并不要求每个文件都连续存放。但对于大对象（典型的如数组对象），多数虚拟机实现出于实现简单、存储高效的考虑，很可能会要求连续的内存空间。Java堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过参数-Xmx和-Xms设定）。如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。

2.5 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型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。虽然《Java虚拟机规范》中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作“非堆”（Non-Heap）。
说到方法区，不得不提一下“永久代”这个概念，尤其是在JDK 8以前，许多Java程序员都习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序，很多人都更愿意把方法区称呼为“永久代”（Permanent Generation），或将两者混为一谈。本质上这两者并不是等价的，因为仅仅是当时的HotSpot虚拟机设计团队选择把收集器的分代设计扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样使得HotSpot的垃圾收集器能够像管理Java堆一样管理这部分内存，省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。但是对于其他虚拟机实现，譬如BEA JRockit、IBM J9等来说，是不存在永久代的概念的。现在回头来看，当年使用永久代来实现方法区的决定并不是一个好主意，这种设计导致了Java应用更容易遇到内存溢出的问题（永久代有-XX：MaxPermSize的上限，即使不设置也有默认大小，而J9和JRockit只要没有触碰到进程可用内存的上限，例如32位系统中的4GB限制，就不会出问题。
《Java虚拟机规范》对方法区的约束是非常宽松的，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，甚至还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域的确是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这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效果比较难令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收有时又确实是必要的。以前Sun公司的Bug列表中，曾出现过的若干个严重的Bug就是由于低版本的HotSpot虚拟机对此区域未完全回收而导致内存泄漏。

2.6 运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）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表（ConstantPool Table），用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。
Java虚拟机对于Class文件每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格规定，如每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、加载和执行，但对于运行时常量池，《Java虚拟机规范》并没有做任何细节的要求，不同提供商实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个内存区域，不过一般来说，除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把由符号引用翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。
运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是说，并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可以将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法。既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

2.7 直接内存

直接内存（Direct Memory）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。但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。
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堆里面的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。
显然，本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是，既然是内存，则肯定还是会受到本机总内存（包括物理内存、SWAP分区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制，一般服务器管理员配置虚拟机参数时，会根据实际内存去设置-Xmx等参数信息，但经常忽略掉直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。