目錄
1.程式計數器
2.java虛拟機棧
2.1 局部變量表和操作數棧
2.2 局部變量表和操作數棧如何互動
2.3 遞歸為何為引發java.lang.StackOverflowError異常
2.4 虛拟機棧過多會引發元空間和永久代異常
3.本地方法棧
3.1 元空間（MetaSpace）與永久代（PermGen）
4.java堆
5.方法區
6.運作時常量池
7.直接記憶體
8.常見問題
8.1 JVM三大性能調優參數-Xms -Xmx -Xss的含義
8.2 java記憶體模型中堆和棧的差別
8.3 jdk6和jdk6之後intern()方法的差別
8.4 java7之後，方法區裡的字元串常量池已經被移動到java堆中
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漏和記憶體溢出問題。但是交給JVM意味着一旦出現問題很難找出問題所在。
Java虛拟機所管理的記憶體将會包括以下幾個運作時資料區域（如下圖所示）
1.程式計數器
程式計數器（Program Counter Register）是一塊較小的記憶體空間，它可以看作是目前線程所執行的位元組碼的行号訓示器。在虛拟機的概念模型裡，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需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。
由于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，在任何一個确定的時刻，一個處理器（對于多核處理器來說是一個核心）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的執行位置，每條線程都需要有一個獨立的程式計數器，各條線程之間計數器互不影響，獨立存儲，我們稱這類記憶體區域為“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；如果正在執行的是Native方法，這個計數器值則為空（Undefined）。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。
總結如下：
- 目前線程所執行的位元組碼行号訓示器(邏輯)
- 改變計數器的值來選取下一條需要執行的位元組碼指令
- 和線程是一對一的關系即“線程私有”
- 對Java方法計數,如果是 Native方法則計數器值為 Undefined（java的Native方法，java調用其他底層語言（如c、c++）的方法）
- 不會發生記憶體洩露
2.java虛拟機棧
與程式計數器一樣，Java虛拟機棧（Java Virtual Machine Stacks）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（Stack Frame[1]）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的過程。
經常有人把Java記憶體區分為堆記憶體（Heap）和棧記憶體（Stack），這種分法比較粗糙，Java記憶體區域的劃分實際上遠比這複雜。這種劃分方式的流行隻能說明大多數程式員最關注的、與對象記憶體配置設定關系最密切的記憶體區域是這兩塊。其中所的“堆”筆者在後面會專門講述，而所指的“棧”就是現在講的虛拟機棧，或者說是虛拟機棧中局部變量表部分，局部變量表所需的記憶體空間在編譯期間完成配置設定。
局部變量表存放了編譯期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）。
在Java虛拟機規範中，對這個區域規定了兩種異常狀況：如果線程請求的棧深度大于虛拟機所允許的深度，将抛出StackOverflowError異常；如果虛拟機棧可以動态擴充（目前大部分的Java虛拟機都可動态擴充，隻不過Java虛拟機規範中也允許固定長度的虛拟機棧），如果擴充時無法申請到足夠的記憶體，就會抛出OutOfMemoryError異常。
總結如下：
- java方法執行的記憶體模型
- 包含多個棧幀（每個方法運作的時候都會建立一個棧幀，當方法調用結束時，幀才會被銷毀）
常見問題：
2.1 局部變量表和操作數棧
- 局部變量表：包含方法執行過程中的所有變量（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）
- 操作數棧：（操作位元組碼指令時用到）入棧、出棧、複制、交換、産生消費變量
2.2 局部變量表和操作數棧如何互動
2.3 遞歸為何為引發java.lang.StackOverflowError異常
原因：遞歸過深，棧幀數超過虛拟棧幀的深度
解決方案：限制遞歸次數，或者直接使用循環來代替遞歸
2.4 虛拟機棧過多會引發元空間和永久代異常
原因：當虛拟機棧可以動态擴充是，如果無法申請足夠多的異常，就會抛出這樣的異常
3.本地方法棧
本地方法棧（Native Method Stack）與虛拟機棧所發揮的作用是非常相似的，它們之間的差別不過是虛拟機棧為虛拟機執行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。在虛拟機規範中對本地方法棧中方法使用的語言、使用方式與資料結構并沒有強制規定，是以具體的虛拟機可以自由實作它。甚至有的虛拟機（譬如Sun HotSpot虛拟機）直接就把本地方法棧和虛拟機棧合二為一。與虛拟機棧一樣，本地方法棧區域也會抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。
3.1 元空間（MetaSpace）與永久代（PermGen）
元空間和永久代均是方法區的實作，但實作的方式不同，java8之後，使用元空間代替了永久代！
java.lang.StackOverflowError：PermGen space這個錯誤将不複存在。
元空間相比永久代的優勢：
- 字元串常量池存在永久代中,容易岀現性能問題和記憶體溢出
- 類和方法的資訊大小難易确定,給永久代的大小指定帶來困難
- 永久代會為GC帶來不必要的複雜性
- 友善Hotspot與其他JVM如Frock的內建
兩者差別：
- 元空間使用本地記憶體，而永久代使用的是jvm記憶體
4.java堆
對于大多數應用來說，Java堆（Java Heap）是Java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的一塊記憶體區域，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都在這裡配置設定記憶體。這一點在Java虛拟機規範中的描述是：所有的對象執行個體以及數組都要在堆上配置設定，但是随着JIT編譯器的發展與逃逸分析技術逐漸成熟，棧上配置設定、标量替換優化技術将會導緻一些微妙的變化發生，所有的對象都配置設定在堆上也漸漸變得不是那麼“絕對”了。
Java堆是垃圾收集器管理的主要區域，是以很多時候也被稱做“GC堆”（GarbageCollected Heap，幸好國内沒翻譯成“垃圾堆”）。從記憶體回收的角度來看，由于現在收集器基本都采用分代收集算法，是以Java堆中還可以細分為：新生代和老年代；再細緻一點的有Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間等。從記憶體配置設定的角度來看，線程共享的Java堆中可能劃分出多個線程私有的配置設定緩沖區（Thread Local Allocation Buffer,TLAB）。不過無論如何劃分，都與存放内容無關，無論哪個區域，存儲的都仍然是對象執行個體，進一步劃分的目的是為了更好地回收記憶體，或者更快地配置設定記憶體。
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。
5.方法區
方法區（Method Area）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、即時編譯器編譯後的代碼等資料。雖然Java虛拟機規範把方法區描述為堆的一個邏輯部分，但是它卻有一個别名叫做Non-Heap（非堆），目的應該是與Java堆區分開來。
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。相對而言，垃圾收集行為在這個區域是比較少出現的，但并非資料進入了方法區就如永久代的名字一樣“永久”存在了。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，一般來說，這個區域的回收“成績”比較難以令人滿意，尤其是類型的解除安裝，條件相當苛刻，但是這部分區域的回收确實是必要的。在Sun公司的BUG清單中，曾出現過的若幹個嚴重的BUG就是由于低版本的HotSpot虛拟機對此區域未完全回收而導緻記憶體洩漏。
6.運作時常量池
運作時常量池（Runtime Constant Pool）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（Constant Pool Table），用于存放編譯期生成的各種字面量和符号引用，這部分内容将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（自然也包括常量池）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虛拟機規範沒有做任何細節的要求，不同的提供商實作的虛拟機可以按照自己的需要來實作這個記憶體區域。不過，一般來說，除了儲存Class檔案中描述的符号引用外，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，也就是并非預置入Class檔案中常量池的内容才能進入方法區運作時常量池，運作期間也可能将新的常量放入池中，這種特性被開發人員利用得比較多的便是String類的intern（）方法。
7.直接記憶體
直接記憶體（Direct Memory）并不是虛拟機運作時資料區的一部分，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地使用，而且也可能導緻OutOfMemoryError異常出現。
本機直接記憶體的配置設定不會受到Java堆大小的限制，但是，既然是記憶體，肯定還是會受到本機總記憶體（包括RAM以及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于實體記憶體限制（包括實體的和作業系統級的限制），進而導緻動态擴充時出現OutOfMemoryError異常。
8.常見問題
8.1 JVM三大性能調優參數-Xms -Xmx -Xss的含義
java -Xms128m -Xmx128m -Xss256k -jar XXXX.jar
- -Xss:規定了每個線程虛拟機棧(堆棧)的大小,一般256k足夠了，這個值将會影響此程序中并發線程數的大小
- -Xms:堆的初始值，程序建立時的java堆大小，一旦記憶體不夠就會自動擴容（可能發生記憶體抖動，影響程式運作的穩定性，是以很多時候都直接設定為和Xmx一樣大）
- -Xmx:堆能達到的最大值
8.2 java記憶體模型中堆和棧的差別
- 靜态存儲:編譯時确定毎個資料目标在運作時的存儲空間需求
- 棧式存儲:資料區需求在編譯時未知,運作時子產品入口前确定
- 堆式存儲:編譯時或運作時子產品入口都無法确定,動态配置設定
聯系：引用對象、數組時，棧裡定義變量儲存堆中目标的首位址。
差別：
- 管理方式：棧自動釋放,堆需要GC
- 空間大小：棧比堆小
- 碎片相關：棧産生的碎片遠小于堆
- 配置設定方式：棧支援靜态和動态配置設定,而堆僅支援動态配置設定
- 效率：棧的效率比堆高（計算機底層使用堆棧結構，棧空間和底層結構更加符合，棧操作簡單：隻有出棧和入棧）
看一個程式：
/**
* @author lmm E-mail:[email protected]
* @time 時間：2019年8月19日
* @function 功能：測試
*/
public class Student {
private String name;
public void sayHello() {
System.out.println("Hello " + name);
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public static void main(String[] args) {
int a = 1;
Student student = new Student();
student.setName("lmm");
student.sayHello();
}
}
我們看一下他對應的記憶體是如何配置設定的
元空間：
- Class：Student -Method ： sayHello、setName、main -Filed:name
- Class ：System（以及該類的成員變量和方法）
java堆：
- Object ： String("lmm")
- Object ： Student
main線程獨占：
- Parameter reference："lmm" to String object（棧）
- Variable reference: "student"to Student object（棧）
- Local variables: a with 1（棧），lineNo（程式計數器）
8.3 jdk6和jdk6之後intern()方法的差別
- JDK6:當調用 intern方法時,如果字元串常量池先前已建立出該字元串對象,則傳回池中的該字元串的引用。否則,将此字元串對象添加到字元串常量池中,并且傳回該字元串對象的引用。
- JDK6+:當調用 intern方法時,如果字元串常量池先前已建立出該字元串對象，,則傳回常量池中的該字元串的引用。否則，如果該字元串對象已經存在于Java堆中,則将堆中對此對象的引用添加到字元串常量池中,并且傳回該引用;如果堆中不存在,則在池中建立該字元串并傳回其引用。
在JDK6中運作程式：
在在JDK7中運作程式：
8.4 java7之後，方法區裡的字元串常量池已經被移動到java堆中
原因：先前字元串常量池存在于永久代中，而永久代記憶體有限，如果頻繁調用字元串方法intern()在池裡調用對象會使得字元串常量池記憶體不夠，進而導緻OutOfMemoryError之類的錯誤。