Java 與 C++ 之間有一堵由記憶體動态配置設定和垃圾收集技術所圍成的 “高牆”，牆外面的人想進去，牆裡面的人卻想出來。——《深入了解Java虛拟機：JVM進階特性與最佳時實踐（第二版）》周志明
Java 虛拟機作為運作 Java 程式抽象出來的計算機，具有記憶體管理的能力，像記憶體配置設定、垃圾回收等這些相關的記憶體管理問題，Java 虛拟機都會幫我們解決，是以作為一個 Java 程式員要比 C++ 程式員幸福，但是記憶體方面一旦出現問題，如果對虛拟機怎樣使用記憶體不了解，就很難排查錯誤。
這段時間看周志明先生的《深入了解Java虛拟機：JVM進階特性與最佳時實踐（第二版）》，下面就對 Java 虛拟機對記憶體的管理做一個系統的整理，本篇文章是該專題的第一篇。
1、記憶體劃分
記憶體是計算機中運作系統和軟體的場所，而記憶體劃分是 Java 虛拟機管理記憶體中人為添加的概念，是為了更好的描述 Java 虛拟機對記憶體的管理。下圖中的的運作時資料區域即是 Java 虛拟機所管理的記憶體區域。
記憶體劃分.png
1.1 程式計數器
在 CPU 的寄存器中有指令計數器，而在 Java 虛拟機記憶體管理中也有類似的程式計數器。程式計數器占用一塊很小的記憶體空間，并且每條線程中都有獨立的程式計數器。指令計數器記錄的是 CPU 将要執行的下一條指令的位址，而程式計數器略有不同。線上程執行的 Java 方法時，程式計數器記錄的是正在執行的虛拟機位元組碼指令的位址，而線上程執行 Native 方法時，程式計數器為空，因為此時 Java 虛拟機調用是和作業系統相關的接口，與 Java 語言無關。
此區域是唯一一個在 Java 虛拟機規範中沒有規定會出現 OutOfMemoryError 情況的區域，對 OutOutOfMemoryError 的講解會在後面說到。
1.2 Java 虛拟機棧
我們常在程式運作的記憶體劃分為堆區和棧區，但是在 Java 中，這樣的劃分是很粗糙的，Java 虛拟機中棧有 Hava虛拟機棧和本地方法棧。同程式計數器一樣，Java 虛拟機棧也是每條線程私有的。虛拟機棧描述的是 Java 方法執行時的記憶體模型：每個方法在執行的同時都會建立一個棧幀用于存儲局部變量表、操作數棧、動态連結、方法出口等資訊。每個方法從調用直至執行完成的過程，就對應着一個棧幀在虛拟機棧中入棧到出棧的過程。棧這種資料結構，就不多說了，特點是先進先出（FIFO），而棧幀就是棧中的資料元素，下圖中是棧幀的這種資料在 Java 棧中的結構圖。
棧幀資料結構.png
局部變量表中存放的是編譯期可知的各種基本資料類型，包括 Java 的八大基本資料類型和對象引用（reference）類型（這種類型不在這裡詳細說了）。一個方法需要在幀中配置設定多大的局部變量空間是完全确定的，并且在其方法運作期間不會改變局部變量表的大小，進而可以知道局部變量表所需的記憶體空間在編譯期就确定下來了。
在 Java 虛拟機規範中，對這個區域規定了兩種異常出現的情況：
- 如果線程請求的棧深度大于虛拟機所允許的深度，抛出 StackOverflowError 異常。
- 如果虛拟機棧在動态擴充時無法申請到足夠的記憶體，抛出 OutOfMemoryError 異常。
1.3 本地方法棧
本地方法棧和虛拟機棧作用是相似的，他們之間的差別無非是虛拟機棧為虛拟機執行的是 Java 方法，本地方法棧為虛拟機使用的是 Native 方法。其實，不同的 Java 虛拟機，對棧區域的實作是不同的，比如主流的 HotSpot 虛拟機就把虛拟機棧和本地放棧合二為一了。
與虛拟機棧一樣，本地方法棧也會抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 異常。
1.4 Java 堆
Java 堆是 Java 虛拟機記憶體所管理的記憶體最大的一塊，所有的線程都共享此區域，此區域可以說是 Java 對象的出生地，此區域的唯一目睹就是存放 Java 執行個體，幾乎所有的對象執行個體都在這裡配置設定記憶體（不同的編譯器有所不同）。Java 堆也是垃圾收集器管理的主要區域，也被稱為是 “GC堆”。Java 堆在實體上可以處于不連續的記憶體空間，隻要在邏輯上是連續的就可以了，就像磁盤空間存放檔案一樣。Java 堆既可以是固定大小的，也可以是可擴充的，在主流的 java 虛拟機中是按照可擴充來實作的。關于 Java 堆的詳細介紹将在後面說明。
如果在 Java 堆中沒有足夠的記憶體空間完成對象執行個體的配置設定，并且堆也無法再擴充，将會抛出 OutOfMemoryError 異常。
1.5 方法區
同 Java 堆一樣，方法區也是各個線程共享的區域，它用于存儲已經被虛拟機加載過的類資訊、常量、靜态變量、即時編譯器編譯後的代碼等資料。Java 虛拟機規範中把方法區描述為堆的一個邏輯部分，也叫做 “非堆”，也是為了和 Java 堆區分開來。方法區和 Java 堆一樣，也不需要連續的記憶體空間，在 Java 虛拟機的實作中，也是可以選擇固定大小或者可擴充，并且還可以選擇不實作垃圾回收，因為這個區域需要用到回收的地方很少，但是實際開發種的教訓告訴我們，對方法區進行垃圾回收也是很有必要的，這個區域同樣會出現記憶體洩漏的問題。
在方法區中，有一部分被稱為是運作時常量池。常量池除了用于存放在編譯期生成的各種字面量和符号引用，此外還有直接引用也被存儲在運作時常量池中。運作時常量池具有動态性，常量并不一定實在編譯期才被放入該常量池，在運作期間也可以有新的常量放入池中，如我們在開發中使用 String 類的 intern() 方法時。
對字面量和符号引用不清楚的小夥伴可以看下面兩篇擴充閱讀。
字面量，常量和變量之間的差別？
個人了解 java虛拟機中的符号引用和直接引用
方法區中并不是像字面意思那樣存放方法的，它很像一個Java世界的身份資訊中心，類，常量、變量的資訊都有。——個人了解
當方法區無法滿足記憶體配置設定時，抛出 OutOfMemoryError 異常。
1.6 直接記憶體
直接記憶體并不在 Java 虛拟機管理的記憶體區域内，也不是 Java 虛拟機規範中定義的記憶體區域。直接記憶體是 Java 程式不經過 Java 虛拟機配置設定，直接使用主機的實體記憶體，在一些場景（如檔案指派）中可以提高性能，但是直接在使用直接記憶體中也要注意主機記憶體大小的限制（包括實體和系統級的限制），否則也會抛出 OutOfMemoryError 異常。