在讨论什么是线程前有必要先说下什么是进程，因为线程是进程中的一个实体，线程本身是不会独立存在的。进程是代码在数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，线程则是进程的一个执行路径，一个进程中至少有一个线程，进程中的多个线程共享进程的资源。

操作系统在分配资源时是把资源分配给进程的，但是 CPU 资源比较特殊，它是被分配到线程的，因为真正要占用 CPU 运行的是线程，所以也说线程是 CPU 分配的基本单位。

因此，在讨论并发编程前，我们需要了解JVM内存模型。

jvm 内存模型划分

根据JVM规范，JVM 内存共分为虚拟机栈，堆，方法区，程序计数器，本地方法栈五个部分。

JVM 内存模型 - 图1

《深入理解Java虚拟机（第2版）》中的描述是下面这个样子的：

JVM 内存模型 - 图2

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。

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：

JVM 内存模型 - 图3

（图片来源于网络）

程序计数器(线程私有)：

是当前线程锁执行字节码的行号治时期，每条线程都有一个独立的程序计数器，这类内存也称为“线程私有”的内存。正在执行java方法的话，计数器记录的是虚拟机字节码指令的地址(当前指令的地址)。如果是Natice方法，则为空。

它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

  • 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。

方法栈（java 虚拟机栈）

也是线程私有的。每个方法在执行的时候也会创建一个栈帧，存储了局部变量，操作数，动态链接，方法返回地址。

每个方法从调用到执行完毕，对应一个栈帧在虚拟机栈中的入栈和出栈。通常所说的栈，一般是指在虚拟机栈中的局部变量部分。

局部变量所需内存在编译期间完成分配，如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，则StackOverflowError。如果虚拟机栈可以动态扩展，扩展到无法申请足够的内存，则OutOfMemoryError。

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。

  • 控制参数

-Xss控制每个线程栈的大小。

  • 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。

本地方法栈（线程私有）

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，而本地方法栈则和虚拟机栈类似，主要为虚拟机使用到的Native方法服务。

  • 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。

  • 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。是为虚拟机使用到的Native 方法服务。

异常。

Java堆（线程共享）

被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动的时候创建，用于存放对象实例。

对可以按照可扩展来实现（通过-Xmx 和-Xms 来控制）

当队中没有内存可分配给实例，也无法再扩展时，则抛出OutOfMemoryError异常。

方法区（线程共享）

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。

这个区域的内存回收目标主要针对常量池的回收和堆类型的卸载。

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。

  • 控制参数

-XX:PermSize 设置最小空间 -XX:MaxPermSize 设置最大空间。

  • 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。

  • 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。

jvm 1.8 内存区域划分

JVM 内存模型 - 图4

程序计数器

每个线程一块内存，指向当前正在执行的字节码的行号。如果当前线程是native方法，则其值为null。

ps(程序计数器内存划分)

因为处理器在一个确定是时刻只会执行一个线程中的指令，线程切换后，是通过计数器来记录执行痕迹的，因而可以看出，程序计数器是每个线程私有的。

如果执行的是java方法，那么记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址的地址，如果是native方法，计数器的值为空（undefined）。

Java虚拟机栈

JVM 内存模型 - 图5

ps: 虚拟机栈中的名词解释

局部变量表：

存放编译期可知的各种基本数据类型、对象引用类型和returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址：函数返回地址）。
long、double占用两个局部变量控件Slot。

局部变量表所需的内存空间在编译期确定，当进入一个方法时，方法在栈帧中所需要分配的局部变量控件是完全确定的，不可动态改变大小。

异常：线程请求的栈帧深度大于虚拟机所允许的深度—StackOverFlowError，如果虚拟机栈可以动态扩展（大部分虚拟机允许动态扩展，也可以设置固定大小的虚拟机栈），但是无法申请到足够的内存—OutOfMemorError。

操作数栈：
后进先出LIFO，最大深度由编译期确定。栈帧刚建立使，操作数栈为空，执行方法操作时，操作数栈用于存放JVM从局部变量表复制的常量或者变量，提供提取，及结果入栈，也用于存放调用方法需要的参数及接受方法返回的结果。

操作数栈可以存放一个jvm中定义的任意数据类型的值。

在任意时刻，操作数栈都一个固定的栈深度，基本类型除了long、double占用两个深度，其它占用一个深度

动态连接：

每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接。Class文件的常量池中存在有大量的符号引用，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（如final、static域等），称为静态解析，另一部分将在每一次的运行期间转化为直接引用，这部分称为动态连接。

方法返回地址：

当一个方法被执行后，有两种方式退出该方法：执行引擎遇到了任意一个方法返回的字节码指令或遇到了异常，并且该异常没有在方法体内得到处理。无论采用何种退出方式，在方法退出之后，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，调用者的PC计数器的值就可以作为返回地址，栈帧中很可能保存了这个计数器值，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。

方法退出的过程实际上等同于把当前栈帧出栈，因此退出时可能执行的操作有：恢复上层方法的局部变量表和操作数栈，如果有返回值，则把它压入调用者栈帧的操作数栈中，调整PC计数器的值以指向方法调用指令后面的一条指令。

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。

  • 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。

  • 垃圾回收

此区域是垃圾回收的主要操作区域。

  • 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

堆时JVM内存占用最大，管理最复杂的一个区域。唯一的途径就是存放对象实例：所有的对象实例以及数组都在堆上进行分配。jdk1.7以后，字符串常量从永久代中剥离出来，存放在堆中。堆具有进一步的内存划分。按照GC分代手机角度划分

JVM 内存模型 - 图6

老年代：2/3的堆空间
年轻代：1/3的堆空间
eden区：8/10 的年轻代
survivor0: 1/10 的年轻代
survivor1:1/10的年轻代

元数据区域

元数据区域取代了1.7版本及以前的永久代。元数据和永久代本质上都时方法区的实现。方法区皴法虚拟机加载的类型西，静态变量，常量数据。

参数设置：

-XX:MetaspaceSize=18m
-XX:MaxMetaspaceSize=60m

直接内存

java.nio 中使用DirectBuffer相关使用

常见内存溢出错误

有了对内存结构清晰的认识，就可以帮助我们理解不同的OutOfMemoryErrors，下面列举一些比较常见的内存溢出错误，通过查看冒号“：”后面的提示信息，基本上就能断定是JVM运行时数据的哪个区域出现了问题。

  1. Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

原因：对象不能被分配到堆内存中。

  1. Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space

原因：类或者方法不能被加载到老年代。它可能出现在一个程序加载很多类的时候，比如引用了很多第三方的库。

  1. Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit

原因：创建的数组大于堆内存的空间。

  1. Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: request <size> bytes for <reason>. Out of swap space?

原因：分配本地分配失败。JNI、本地库或者Java虚拟机都会从本地堆中分配内存空间。

  1. Exception in thread “main”: java.lang.OutOfMemoryError: <reason> <stack trace>（Native method）

原因：同样是本地方法内存分配失败，只不过是JNI或者本地方法或者Java虚拟机发现。

关于OutOfMemoryError的更多信息可以查看：Troubleshooting Guide for HotSpot VM”, Chapter 3 on “Troubleshooting on memory leaks