jvm自動記憶體管理機制之記憶體區域劃分

Java與C++ 之間不同之處有記憶體動态配置設定和垃圾收集技術。

對于java程式員來說，在虛拟機自動記憶體管理機制的幫助下，不再需要為每一個new操作去寫配對的delete/free代碼，不容易出現記憶體洩露和記憶體溢出問題。

Java虛拟機在執行Java程式的過程中會把它所管理的記憶體劃分為若幹個不同的資料區域。這些區域都有各自的用途，以及建立和銷毀的時間，有的區域随着虛拟機程序的啟動而存在，有些區域則依賴使用者線程的啟動和結束而建立和銷毀。

Java虛拟機運作時資料區如上圖所示，其中紅色部分為所有線程共享的資料區，紫色部分為線程隔離的資料區。

程式計數器

程式計數器是一塊較小的記憶體空間，可以看作目前線程所執行的位元組碼的行号訓示器。位元組碼解釋器工作時就是通過改變這個計數器的值來選取下一條要執行的位元組碼指令，分支，循環，跳轉，異常處理，線程恢複等基礎功能都需要依賴這個計數器來完成。

Java虛拟機的多線程是通過線程輪流切換并配置設定處理器執行時間的方式來實作的，在任何一個時刻，一個處理器都隻會執行一條線程中的指令。是以，為了線程切換後能恢複到正确到執行位置，每條線程都需要一個獨立的程式計數器，各條線程之間計數器互補影響，獨立存儲，我們稱這類記憶體為“線程私有“的記憶體。

如果線程正在執行的是一個Java方法，這個計數器記錄的是正在執行的虛拟機位元組碼指令的位址；如果是Native方法，這個計數器值則為空。此記憶體區域是唯一一個在Java虛拟機規範中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域。

Java虛拟機棧

Java虛拟機棧也是線程私有的，它的生命周期與線程相同。虛拟機棧描述的是 Java方法執行的記憶體模型：每個方法在執行的同時都會建立一個棧幀（棧幀是方法運作時的基礎資料結構）用于存儲 局部變量表， 操作數棧， 動态連結， 方法出口等資訊。每一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到過程。 (人們經常把Java記憶體區分為堆記憶體和棧記憶體，其所指的棧就是現在所講的虛拟機棧，或者說是虛拟機棧中局部變量表)

局部變量表存放來編譯器可知的各種基本資料類型（boolean,byte,char,short,int,float,long,double），對象引用(reference類型，它不等同于對象本身，可能是一個指向對象起始位址的引用指針，也可能是指向一個代表對象的句柄或其他與此對象相關的位置)和returnAddress類型(指向了一條位元組碼指令的位址)。

64位長度長度的long和double類型的資料會占用兩個局部變量空間，其餘的資料類型隻占用1個。局部變量表所需的記憶體空間在編譯期間完成配置設定，當進入一個方法時，這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，在方法運作期間不會改變局部變量表當大小。

如果線程請求的棧深度大于虛拟機棧所允許的深度，将抛出StackOverflowError異常；如果虛拟機棧可以動态擴充，如果擴充時無法申請到足夠的記憶體，就會抛出OutOfMemoryError異常。

本地方法棧

本地方法棧與虛拟機棧所發揮的作用非常相似，之間的差別不過時虛拟機棧位虛拟機執行Java方法（也就是位元組碼）服務，而本地方法棧則為虛拟機使用到的Native方法服務。與虛拟機棧一樣，本地方法棧區域也會抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

Java堆

Java堆時虛拟機所管理的記憶體中最大的一塊。Java堆是被所有線程共享堆一塊記憶體區域，在虛拟機啟動時建立。此記憶體區域的唯一目的就是存放對象執行個體，幾乎所有的對象執行個體以及數組都要在堆上配置設定。 Java堆是垃圾收集器管理的主要區域，也被稱為"GC堆“。從記憶體回收的角度來看，由于現在收集器基本采用分代收集算法，是以Java堆中還可細分位： 新生代和 老年代.再細緻一點有Eden空間，From Survivor空間,To Sruvivor空間等。從記憶體配置設定的角度來看，線程共享的Java堆可能劃分出多個線程私有的配置設定緩沖區。進一步劃分的目的是為了更好的回收記憶體。Java堆可以處于實體上不連續的記憶體空間中，隻要邏輯上是連續的即可。目前主流的虛拟機都是按照可擴充來實作的(-Xmx和-Xms控制)如果在堆上沒有記憶體完成執行個體配置設定，并且堆也無法再擴充時，将會抛出OutOfMemoryError異常。

方法區

方法區與Java堆一樣，是各個線程共享的記憶體區域，它用于存儲已被虛拟機加載的 類資訊， 常量， 靜态變量，及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，但是它有一個别名Non-heap（非堆）。 很多人把方法區稱為“永久代”，僅僅是因為HotSpot虛拟機的設計團隊選擇把GC分代收集擴充至方法區，這樣HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一樣管理這部分記憶體，在目前已經釋出的JDK1.7的HotSpot中，已經把原來放在永久代的字元串常量池移出。 Java虛拟機規範對方法區的限制非常寬松，除了和Java堆一樣不需要連續的記憶體和可以選擇固定大小或者可擴充外，還 可以選擇不實作垃圾收集。這區域的記憶體回收目标主要是針對常量池的回收和對類型的解除安裝。 當方法區無法滿足記憶體配置設定需求時，将抛出OutOfMemoryError異常。

運作時常量池

運作時常量池是方法區的一部分。Class檔案中除了有類的版本，字段，方法，接口等描述資訊外，還有一項資訊是常量池，用于 存放編譯器生成的各種字面量和符号引用，這部分内容在類加載後進入方法區的運作時常量池中存放。 Java虛拟機對Class檔案每一部分（包括常量池）的格式都有嚴格規定，每一個位元組用于存儲哪種資料都必須符合規範上的要求才會被虛拟機認可，裝載和執行，但對于運作時常量池，Java虛拟機規範沒有任何細節的要求，一般來說，除了儲存Class檔案中描述的符合引用外，還會把翻譯出來的直接引用也存儲在運作時常量池中。 運作時常量池相對于Class檔案常量池的另外一個重要特征是具備動态性，Java語言并不要求常量一定隻有編譯期才能産生，也就是并非預置如Class檔案中常量池的内容才能進入方法區運作時常量池，運作期間也可能将心得常量放入池中，這種特性被開發人員利用得比較多得是String類得intern()方法。 常量池也會抛出OutOfMemoryError異常。

直接記憶體

直接記憶體并不是虛拟機運作時資料區得一部分，也不是Java虛拟機規範中定義的記憶體區域。但是這部分記憶體也被頻繁得使用，而且也可能導緻OutOfMemoryError異常出現。 在JDK1.4中新加入了NIO類，引入了一種基于通道(Channel)與緩沖區(Buffer)得I/O房事，它可以使用Native函數庫直接配置設定堆外記憶體，然後通過一個存儲在Java堆中得DirectByteBuffer對象作為這塊記憶體得引用進行操作。這樣能在一些場景中顯著提高性能，因為避免了在Java堆和Native堆中來回複制資料。 本機直接記憶體得配置設定不會受到Java堆大小的限制，但還是會收到本機總記憶體(包括RAM和SWAP區或者分頁檔案)大小以及處理器尋址空間的限制。伺服器管理者在配置虛拟機參數時，會根據實際記憶體設定-Xmx等參數資訊，但經常忽略直接記憶體，使得各個記憶體區域總和大雨實體記憶體限制，進而導緻動态擴充時出現OutOfMemoryError異常。

總結： java記憶體區域按是否線程私有可分為堆和棧兩部分。其中棧包含虛拟機棧和本地方法棧。 其中隻有虛拟機棧和本地方法棧會發生StackOverflowError和OutOfMemoryError異常，其他區域隻會發生OutOfMemoryError，程式計數器沒有任何OutOfMemoryError。