在學(xué)習(xí) Java 虛擬機(jī)（后面簡(jiǎn)稱：JVM）中的垃圾回收機(jī)制（GC）之前，先需要了解 在 JVM 中的 Java 程序（class 文件）加載到內(nèi)存之后到底是怎么存的。在閱讀了JVM規(guī)范和周志明的《深入理解Java虛擬機(jī)（第2版）》之后，總結(jié)一下JVM中的內(nèi)存劃分以及各個(gè)區(qū)域的作用。
在JVM規(guī)范中定義了5種運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)區(qū)域：程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）、Java虛擬機(jī)棧（JVM Stacks）、堆（Heap）、方法區(qū)（Method Area）、運(yùn)行時(shí)常量池（Runtime Constant Pool）、本地方法棧（Native Method Stack）。在周志明的書中還提到了直接內(nèi)存（Direct Memory），它并不是JVM運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域的一部分，在JVM的規(guī)范中也沒有相關(guān)的定義。下面分別來說明各自的用途。
程序計(jì)數(shù)器
程序計(jì)數(shù)器，也叫PC Register。它的用途很單一，但是卻是很多功能的基礎(chǔ)。如果線程當(dāng)前執(zhí)行的是Native方法，那么寄存器里的值就是Undefined；如果線程當(dāng)前執(zhí)行的是非Native方法，那么寄存器里的值就是當(dāng)前執(zhí)行的JVM字節(jié)碼指令的地址。像我們常用的分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等都依賴于它。
由于JVM支持多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行，所以每個(gè)線程都有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，各個(gè)線程互不影響，這類內(nèi)存區(qū)域也稱之為線程私有的。
Java虛擬機(jī)棧
虛擬機(jī)棧也是線程私有的，隨著一個(gè)線程的創(chuàng)建而創(chuàng)建，主要用來存儲(chǔ)棧幀（Stack Frame）。什么是棧幀呢？在Java中，每個(gè)方法在執(zhí)行時(shí)就會(huì)先創(chuàng)建一個(gè)棧幀并放入虛擬機(jī)棧中，在方法執(zhí)行完畢時(shí)再?gòu)奶摂M機(jī)棧中移除該棧幀。它主要用來存儲(chǔ)局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息。我們常說的堆（Heap）和棧（Stack）中的棧，指的就是虛擬機(jī)棧。
在JVM規(guī)范中并沒有對(duì)虛擬機(jī)?？臻g的大小做限制，可以設(shè)置為固定大小的，也可以設(shè)置為可擴(kuò)展的。但是在規(guī)范中定義了兩種異常情況：
- 如果計(jì)算時(shí)請(qǐng)求的?？臻g大于虛擬機(jī)棧的最大值，則會(huì)拋出
StackOverflowError異常； - 如果虛擬機(jī)棧設(shè)置為可擴(kuò)展的并且無法再獲取更多內(nèi)存時(shí)，則會(huì)拋出
OutOfMemoryError異常。
堆
相比而言，堆在JVM管理的內(nèi)存區(qū)域中屬于最大的一塊，隨著虛擬機(jī)的啟動(dòng)而創(chuàng)建，用來存儲(chǔ)所有的class實(shí)例和數(shù)組，所有線程共享這一區(qū)域，該區(qū)域也是垃圾回收的主要區(qū)域。雖然JVM規(guī)范中說所有的對(duì)象實(shí)例都在該區(qū)域分配空間，但是隨著JIT技術(shù)的逐步發(fā)展，這一說法也不嚴(yán)謹(jǐn)了。
堆空間的大小也可以設(shè)置為固定大小，或者可擴(kuò)展的。但不管是何種方式，規(guī)范中還是定義了一種異常場(chǎng)景：
- 如果計(jì)算需要更多的堆空間而無法滿足時(shí)，則會(huì)拋出
OutOfMemoryError異常。
方法區(qū)
方法區(qū)和堆一樣，也是隨著虛擬機(jī)啟動(dòng)而創(chuàng)建，所有線程共享，主要用來存儲(chǔ)被JVM加載的類信息、常量、靜態(tài)變量等信息。
JVM規(guī)范中并未嚴(yán)格要求要對(duì)該區(qū)域進(jìn)行垃圾回收，但是HotSpot虛擬機(jī)在垃圾回收的時(shí)候還是會(huì)考慮該區(qū)域，在分代垃圾回收中所說的“永久代”指的就是方法區(qū)。方法區(qū)的大小也可以設(shè)置為固定大小，或者可擴(kuò)展的。但不管是何種方式，規(guī)范中還是定義了一種異常場(chǎng)景：
- 如果計(jì)算需要更多的方法區(qū)空間而無法滿足時(shí)，則會(huì)拋出
OutOfMemoryError異常。
運(yùn)行時(shí)常量池
運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分，用于存儲(chǔ)編譯期生成的各種字面量和符號(hào)引用。在Java中并不要求常量一定只有編譯期才能產(chǎn)生，運(yùn)行期間也可能將新的常量放入池中，例如String類的intern()方法。
每個(gè)運(yùn)行時(shí)常量池都是隨著一個(gè)類或者接口的創(chuàng)建而創(chuàng)建的。在規(guī)范中定義了一種異常場(chǎng)景：
- 在創(chuàng)建一個(gè)類或者接口時(shí)，如果運(yùn)行時(shí)的常量池?zé)o法分配到足夠的空間時(shí)，則會(huì)拋出
OutOfMemoryError異常。
本地方法棧
本地方法棧和虛擬機(jī)棧類似，也是線程私有的，隨著一個(gè)線程的創(chuàng)建而創(chuàng)建，只不過虛擬機(jī)棧是用來服務(wù)Java方法調(diào)用，而本地方法棧是用來服務(wù)本地方法調(diào)用的。
在JVM規(guī)范中并沒有對(duì)本地方法棧空間的大小做限制，可以設(shè)置為固定大小的，也可以設(shè)置為可擴(kuò)展的。在規(guī)范中也定義了兩種異常情況：
- 如果計(jì)算時(shí)請(qǐng)求的棧空間大于本地方法棧的最大值，則會(huì)拋出
StackOverflowError異常； - 如果本地方法棧設(shè)置為可擴(kuò)展的并且無法再獲取更多內(nèi)存時(shí)，則會(huì)拋出
OutOfMemoryError異常。
直接內(nèi)存*
直接內(nèi)存不受虛擬機(jī)參數(shù)的控制，在NIO中有一種基于通道（Channel）與緩沖區(qū)（Buffer)的I/O方式，它可以通過Native方法在堆外分配內(nèi)存，然后通過DirectByteBuffer對(duì)象來引用這塊內(nèi)存。因?yàn)楸苊饬嗽贘ava堆和Native堆之間來回復(fù)制數(shù)據(jù)，從而在某些場(chǎng)景中能夠得到性能的提升。一旦使用的直接內(nèi)存超過了物理內(nèi)存的總和，則會(huì)拋出OutOfMemoryError異常。
