一、概述

JVM(Java Virtual Machine/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，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而一直存在，有的区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规范》的规定，Java 虚拟机所管理的内存包括五个运行时数据区：

二、程序计数器【Program Counter Register】

程序计数器是一块小到可以忽略不计的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在 JVM 的概念模型里，字节码解释器工作时就是通过改变该计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。
由于 JVM 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，在任何一个确定的时刻，一个处理器(对于多核处理器来说是一个内核)都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，这类内存区域为“线程私有”的内存。
如果线程正在执行的是一个 Java 方法，该计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是本地(Native)方法，该计数器值则为空(Undefined)。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，因为该区域中存储的数据所占空间的大小不会随程序的执行而发生改变。

1️⃣作用

1. 字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制。如：顺序执行、选择、循环、异常处理。
2. 在多线程的情况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置，从而当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运行到哪儿了。

2️⃣特点

1. 是一块较小的存储空间
2. 线程私有。每条线程都有一个程序计数器。
3. 是唯一一个不会出现 OutOfMemoryError 的内存区域。
4. 生命周期：随着线程的创建而创建，随着线程的结束而死亡。

三、虚拟机栈【VM Stack】

1️⃣与程序计数器一样，Java 虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。

2️⃣虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，JVM 都会同步创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

3️⃣常有人把 Java 内存区域笼统地划分为堆内存(Heap)和栈内存(Stack)，这种划分方式直接继承自传统的 C、C++ 程序的内存布局结构，在 Java 里就显得有些粗糙了，实际的内存区域划分要比这更复杂。不过这种划分方式的流行也间接说明了程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的区域是“堆”和“栈”两块。“栈”通常就是指这里讲的虚拟机栈，或者更多的情况下只是指虚拟机栈中局部变量表部分。

4️⃣局部变量表存放了编译期可知的各种 JVM 基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、 float、long、double)、对象引用(reference 类型，它并不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置)和 returnAddress 类型(指向了一条字节码指令的地址)。
这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽(Slot)来表示，其中 64 位长度的 long 和 double 类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。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表的大小。这里的“大小”是指变量槽的数量， 虚拟机真正使用多大的内存空间(譬如按照 1 个变量槽占用 32 个比特/bit、64 个比特/bit，或者更多)来实现一个变量槽，这是完全由具体的虚拟机实现自行决定的事情。

5️⃣在《Java虚拟机规范》中，对这个内存区域规定了两类异常状况：

1. 如果虚拟机栈的内存大小不允许动态扩展，那么当线程请求的栈深度大于当前虚拟机栈所允许的深度，将抛出 StackOverflowError；
2. 如果 Java 虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出 OutOfMemoryError。

6️⃣注意：

1. 局部变量表的创建是在方法被执行的时候，随着栈帧的创建而创建。而且，局部变量表的大小在编译时期就确定下来了，在创建的时候只需分配事先规定好的大小即可。此外，在方法运行的过程中局部变量表的大小是不会发生改变的。

2. StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 的区别：
   StackOverFlowError 表示当前线程申请的栈超过了事先定好的栈的最大深度，但内存空间可能还有很多。
   而 OutOfMemoryError 是指当线程申请栈时发现栈已经满了，而且内存也全都用光了。

四、本地方法栈【Native Method Stacks】

1️⃣本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别只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本地(Native)方法服务。本地方法被执行的时候，在本地方法栈也会创建一个栈帧，用于存放该本地方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、出口信息。方法执行完毕后相应的栈帧也会出栈并释放内存空间。

2️⃣《Java虚拟机规范》对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有任何强制规定，因此具体的虚拟机可以根据需要自由实现它，甚至有的 JVM (譬如 Hot-Spot 虚拟机)直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError。

五、堆【Heap】

1️⃣Java 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内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，Java 里所有的对象实例都在这里分配内存。

在《Java虚拟机规范》中对 Java 堆的描述是：“The heap is the runtime data area from which memory for all class instances and arrays is allocated。”所有的对象实例以及数组都应当在堆上分配。

2️⃣Java 堆是垃圾收集器管理的内存区域。从回收内存的角度看，现代垃圾收集器大部分都是基于分代新生代【Eden、From Survior、To Survior】、老年代收集理论设计的，但这不是某个 JVM 具体实现的固有内存布局，更不是《Java虚拟机规范》里对 Java 堆的进一步细致划分。

3️⃣如果从分配内存的角度看，所有线程共享的 Java 堆中可以划分出多个线程私有的分配缓冲区 (Thread Local Allocation Buffer，TLAB)，以提升对象分配时的效率。不过无论从什么角度，无论如何划分，都不会改变 Java 堆中存储内容的共性，无论是哪个区域，存储的都只能是对象的实例，将 Java 堆细分的目的只是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。

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。

4️⃣Java 堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的，当前主流的 JVM 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，JVM 将会抛出 OutOfMemoryError。

六、方法区【Method Area】--非堆(Non-Heap)

1️⃣《Java虚拟机规范》中把方法区描述为堆的一个逻辑部分，它与 Java 堆一样，是各个线程共享的内存区域，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。

2️⃣《Java虚拟机规范》对方法区的约束非常宽松，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。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。内存回收效率低，回收一遍内存之后可能只有少量信息无效。

3️⃣根据《Java虚拟机规范》的规定，如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出 OutOfMemoryError。

4️⃣运行时常量池【Runtime Constant Pool】

1. 运行时常量池是方法区的一部分。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(Constant Pool 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。

2. JVM 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。

3. 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 并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是说，并非只有预置入 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()，它就能在运行期间向常量池中添加字符串常量。当运行时常量池中的某些常量没有被对象引用，同时也没有被变量引用，那么就需要垃圾收集器回收。

4. 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。

注：
一般在一个类中通过public static final来声明一个常量，当该类被 JVM 加载后，Class 文件中的常量就存放在方法区的运行时常量池中。而且在运行期间，可以向常量池中添加新的常量。如同 String 类的 intern()。

七、直接内存【Direct Memory】

1️⃣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 出现。

2️⃣在 JDK4 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 方法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。

3️⃣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。

八、总结

1. JVM 的内存模型中一共有两个“栈”，分别是：虚拟机栈和本地方法栈。两个“栈”的功能类似，都是方法运行过程的内存模型。并且两个“栈”内部构造相同，都是线程私有。
   只不过虚拟机栈描述的是 Java 方法运行过程的内存模型；而本地方法栈是描述 Java 本地(Native)方法运行过程的内存模型。
2. JVM 的内存模型中一共有两个“堆”，一个是原本的堆，一个是方法区。方法区本质上是属于堆的一个逻辑部分。堆中存放对象，方法区中存放类信息、常量、静态变量、即时编译器编译的代码。
3. 堆是 JVM 中最大的一块内存区域，也是垃圾收集器主要的工作区域。
4. 程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈是线程私有的。并且它们的生命周期和所属的线程一样。
   而堆、方法区是线程共享的，在 JVM 中只有一个堆、一个方法栈。并且在 JVM 启动的时候就创建，JVM 停止才销毁。