JVM（一）：运行时数据区域

Java对内存分配的方式有三种：1）从静态存储区域分配。内存在程序编译时已分配好，这块内存在整个程序运行期间内都存在。例如全局变量，static变量。 2） 在栈上创建。函数内局部变量可以在栈上创建，执行效率高，容量有限。 3） 在堆上分配（动态内存分配）。使用malloc或new申请任意多少的内存，生存期由自己决定，灵活，问题多。

线程独占区

一、程序计数器（Program Counter Register）

程序计数器是一块较小的内存空间，它可以看做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、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。

如果线程正在执行的是一个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Native方法，这个计数器值则为空（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

二、Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks)

Java虚拟机栈与线程生命周期相同。使用-XSS参数来设置虚拟机栈的大小，栈的大小直接决定了函数调用的可达深度。其描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame)用于存储局部变量表、操作数栈、帧数据区、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译器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）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址），它被定义为一个从0开始的数字数组，byte、short、char在存储前被转换为int，boolean也被转换为int，0表示false，非0表示true，long和double则占据两个字长。局部变量表通过数组下标访问。

操作数栈也被组织为一个数字数组，但并不通过数组下标访问，而是通过栈的push和pop操作。

帧数据区主要有三点作用：

• 解析常量池里面的数据。
• 方法执行完后处理方法返回，恢复调用现场。
• 方法执行过程中抛出异常时的异常处理，存储在一个异常表中，当出现异常时虚拟机查找相应的异常表，看是否有对应的catch语句，如果没有就抛出异常，终止这个方法调用。

函数嵌套调用的次数由栈的大小决定，一般来说，栈越大，函数嵌套调用次数越多。对一个函数而言，它的参数越多，内部局部变量越多，它的栈帧就越大，其嵌套调用的次数就会减少。

在虚拟机栈这个区域中，Java虚拟机规范规定了两种异常情况：

1. 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，抛出StackOverflowError异常；
2. 如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），并且扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

三、本地方法栈（Native Method Stack）

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用非常相似，区别是：虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，本地方法栈为虚拟机使用到的Native方法服务。

本地方法栈可以直接使用本地处理器中的寄存器，或者直接从本地内存的堆中分配任意数量的内存。它和虚拟机拥有同样的权限。

由于虚拟机规范中没有对本地方法栈中的语言、使用方式与数据结构进行强制规定，有的虚拟机（如Sun HotSpot虚拟机）直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

本地方法栈也会抛出StackOverflowError异常和OutOfMemoryError异常。

线程共享区

一、Java堆（Java Heap）

Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块，在虚拟机启动时创建，其唯一目的就是存放对象实例：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配（但随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，所有的对象分配在堆上也渐渐不是那么绝对了）。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，现在收集器基本采用分代收集算法，所以Java堆还可细分为：新生代和老年代；再细致点分为Eden空间，From Survivor空间，To Survivor空间等。

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，只要逻辑上连续即可。

如果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。

二、方法区（Method Area）

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。

所谓的方法区为永久代（Permanent Generation)的说法，仅仅是因为HotSpot虚拟机将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。对于其他虚拟机是不存在永久代的说法的。

三、运行时常量池（Runtime Constant Pool）

运行时常量池是方法区的一部分，用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用，一般还会存放翻译出来的直接引用。这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放。

当常量池无法再申请到内存时抛出OutOfMemoryError异常。

四、直接内存（Direct Memory）

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是虚拟机规范中定义的内存区域，但是也会导致OutOfMemoryError异常出现。

例如在JDK1.4中新加入的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，他可以使用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。

本机直接内存不会受到Java堆大小的限制，但是会受到本机总内存（包括RAM和SWAP区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制。动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

NIO 实现了一种基于通道与缓冲区的IO方式，它可以使用Naive函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。直接内存的分配不会收到Java堆大小的限制，但是会受到本机内存大小的限制。会抛出OutOfMemoryError异常。

对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局分为三个部分：对象头， 实例数据和对齐填充。
其中，对象头包括：
(1) 用语存储对象自身的运行时数据，包括哈希码，GC分代年龄，线程所持有的锁等。官方称为”Mark Word".
(2) 对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定该对象时哪个类的实例。

实例数据是对象真正存储的有效信息，也是程序代码中所定义的各种类型的字段内容。

对齐填充并非必然存在，仅仅起占位符作用。HotSpot虚拟机要求对象起始地址必须是8字节整数倍，对象头部分正好是8字节的倍数，所以当示例数据部分没有对齐时，需要通过对齐填充来对齐。

对象的访问定位

Java程序通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。主要访问形式有使用句柄和直接指针两种：

句柄：Java堆将会划出一块内存来作为句柄池，引用中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象示例数据与类型数据各自的具体地址信息。

直接指针：Java堆对象的布局要考虑如何防止访问类型数据的相关信息，引用中存储的就是对象地址。

《深入理解Java虚拟机》第二章
《大话Java性能优化》