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引言
??我們經(jīng)常會被問到一個問題是Java和C++有何區(qū)別？我們除了能回答一個是面向對象、一個是面向過程編程以外，我們還會從底層內存管理和垃圾收集方面作出比較。
??對于C++而言，程序員既要做程序設計開發(fā)又要維護底層內存管理；而對于Java而言，程序員不需要控制底層，只需要安心寫自己的代碼即可，因為Java虛擬機自動實現(xiàn)了內存管理以及垃圾回收。
??但是，我們寫的程序或者程序環(huán)境問題等也時長出現(xiàn)內存泄露和溢出，這個時候程序員如果不知道虛擬機如何分配和管理內存，排查問題將舉步維艱。下面我們就來一起看看，Java虛擬機內存是如何劃分的。
運行時數(shù)據(jù)區(qū)
概念
??Java虛擬機在執(zhí)行Java程序時，會將內存區(qū)域劃分為不同的數(shù)據(jù)區(qū)域（運行時數(shù)據(jù)區(qū)）。有些數(shù)據(jù)區(qū)域是跟隨VM進程的啟動而存在，有的區(qū)域是跟隨用戶線程的啟動和結束而建立和銷毀。
分類
??一般運行時數(shù)據(jù)區(qū)分為：程序計數(shù)器、虛擬機棧、本地方法棧、Java堆、方法區(qū)、運行時常量池。
結構
內存劃分
程序計數(shù)器
定義
??程序計數(shù)器（Program Counter Register）是一塊較小的內存空間，是當前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。字節(jié)碼解釋器工作時就是通過改變這個計數(shù)器的值來選擇下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令（分支、循環(huán)、跳轉、異常處理、線程恢復等功能）
線程私有
??多線程是通過線程輪換交替并分配處理器執(zhí)行時間的方式實現(xiàn)，任何時刻，一個處理器都只會執(zhí)行一條線程的指令，每條線程需要一個獨立的程序計數(shù)器，這樣各條線程之間的計數(shù)器互不影響，獨立存儲，從而保證線程切換后可以恢復到正確的執(zhí)行位置。
??反例：線程A和線程B交替執(zhí)行，線程A計數(shù)到5，切換執(zhí)行，線程B計數(shù)到9，如果兩個線程共享程序計數(shù)器，則線程A此時計數(shù)共享線程B的計數(shù)值9，則無法恢復到正常的執(zhí)行位置。
??正例：線程A和線程B交替執(zhí)行，線程A計數(shù)到5，切換執(zhí)行，線程B計數(shù)到9，線程A再切換執(zhí)行時，繼續(xù)計數(shù)到5開始遞增，恢復到正確的執(zhí)行位置。
異常
??此內存區(qū)域無OutOfMemoryError異常。
用途
??若線程正在執(zhí)行一個Java方法，這個計數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機字節(jié)碼指令的地址；若線程正在執(zhí)行的Native方法，則計數(shù)器值為空。
Java虛擬機棧
定義
??虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）是Java方法執(zhí)行的內存模型，每個方法在執(zhí)行的同時都會創(chuàng)建一個棧幀，用于存儲局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息。每個方法的從調用一直到執(zhí)行完成，都對應著一個棧幀在VM棧中入棧到出棧的過程。
結構
線程私有
??Java虛擬機棧是線程私有的，其生命周期和線程同步，隨著線程的啟動而創(chuàng)建，隨線程的結束而銷毀。
局部變量表
??Loca Variable Table，虛擬機棧中的局部變量表通常就是所說的虛擬機棧，是一組變量值存儲空間，用于存放方法參數(shù)和方法內部定義的局部變量。其中存放了編譯期間可知的基本數(shù)據(jù)類型、對象引用類型和方法返回地址類型。
??局部變量表所占用的內存空間是在編譯期間就已經(jīng)分配好了，進入一個方法時，這個方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是確定的，在方法運行期間也不會去改變這個局部變量表的大小。
??基本數(shù)據(jù)類型：8種基本數(shù)據(jù)類型是boolean、byte 8位、char、short 16位、int 32位、float 32位、long 64位、double 64位。其中64位長度的long和double類型數(shù)據(jù)會占用2個局部變量空間（slot），其余的都是占用1個slot。
??對象引用類型：reference類型，與對象引用不等價，一般是指向對象起始地址的引用指針，或者是指向一個代表對象的句柄、其他與此對象相關的的位置。
??方法返回地址類型：returnAddress類型指向一條字節(jié)碼指令的地址。
操作數(shù)棧
??Operand Stack，操作數(shù)棧也稱為操作棧，是一個后入先出棧，其中村的每個元素可以是任意的Java數(shù)據(jù)類型。當一個方法剛開始執(zhí)行時，該方法的操作數(shù)棧是空的，當方法執(zhí)行過程中，會有各種字節(jié)碼指令往操作數(shù)棧中寫入和提取內容（入棧/出棧操作）
動態(tài)鏈接
??Dynamic Linking，每個棧幀都包含一個指向運行時常量池中該棧幀所屬方法的應用，持有這個引用就是為了支持方法調用過程中的動態(tài)鏈接，常量池中的符號引用在每一次運行期間轉化為直接引用即為動態(tài)鏈接。
方法返回地址
??returnAddress，當一個方法開始執(zhí)行后，會有兩種方式退出該方法：正常完成出口和異常完成出口。
??正常完成出口：程序執(zhí)行過程中遇到任意一個方法返回的字節(jié)碼指令，返回值傳遞給上一層調用者，正常退出程序方法。
??異常完成出口：程序方法執(zhí)行過程中遇到異常，這個異常沒有在方法體內得到處理（沒有try...catch，沒有throw異常），導致方法退出。
異常
??StackOverflowError異常：線程請求的棧深度大于虛擬機所允許的深度，拋出該異常。
??OutOfMemoryError異常：虛擬機可以動態(tài)擴展時，不能夠擴展申請到足夠的內存，拋出該異常。
本地方法棧
定義
??本地方法棧（Native Method Stack）是為虛擬機使用的Native方法服務
異常
??StackOverflowError異常：線程請求的棧深度大于虛擬機所允許的深度，拋出該異常。
??OutOfMemoryError異常：虛擬機可以動態(tài)擴展時，不能夠擴展申請到足夠的內存，拋出該異常。
與虛擬機棧異同
異：
??虛擬機棧是為VM執(zhí)行Java方法（字節(jié)碼）服務；本地方法棧是為VM執(zhí)行的Native方法。
同:
??與虛擬機作用類似，有的VM是將兩者合二為一，都會拋出StackOverFlowError和OutOfMemoryError異常。
Java堆
定義
??Java堆（Java Heap）是JVM中最大的一塊內存，是存放對象實例的區(qū)域。所有對象實例以及數(shù)組都要在堆上分配。當然，也有特特殊的情況，JIT編譯器的發(fā)展與逃逸分析技術會促進棧上分配及變量替換優(yōu)化技術的發(fā)展。
結構
線程共享
??Java堆是被所有線程共享的一塊內存區(qū)域，在VM啟動時創(chuàng)建。線程共享可以將Java堆劃分出多個線程私有的分配緩沖區(qū)（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。
GC堆
??Garbage Collected Heap，Java堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，簡稱GC堆。Java堆細分為新生代和老年代，再細分為Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間。
堆空間
??Java堆可以處于物理上不連續(xù)的內存空間，只需要邏輯連續(xù)即可，有點類似于磁盤空間。實現(xiàn)時，既可以是固定大小，也可以擴展（-Xmx和-Xms參數(shù)進行控制）。
異常
??若堆中沒有內存完成實例分配，堆也無法擴展時，會拋出OutOfMemoryError異常。
方法區(qū)
定義
??方法區(qū)（Method Area）用于存儲已被虛擬機加載的類的信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。
線程共享
??和Java堆一樣，也是線程共享區(qū)域。
持久代
??對于HotSpot虛擬機而言，方法區(qū)可以稱作為“永久代”或者“持久代”，這是因為HotSpot虛擬機的設計團隊選擇把GC分代收集擴展至了方法區(qū)，使用永久代來實現(xiàn)方法區(qū)，垃圾收集器可以像管理Java堆一樣管理這部分內存區(qū)域。
限制
??方法區(qū)和Java堆一樣不需要連續(xù)的物理內存空間，可以選擇固定大小也可以選擇擴展，同時，可選擇不實現(xiàn)垃圾收集，方法區(qū)永久代中的數(shù)據(jù)不代表永久存在，該內存區(qū)域的內存回收目標是針對常量池的回收和對類型的卸載。
運行時常量池
??運行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區(qū)的一部分，相比較而言，Class文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項信息就是常量池（Constant Pool Table），Class文件常量池用于存放編譯器生成的各種字面量和符號引用，這部分內容將在類加載后進入方法區(qū)的運行時常量池中存放。
??JVM規(guī)范對運行時常量池限制比較寬松，不同的廠商可以根據(jù)自己的需求自行實現(xiàn)該內存區(qū)域，一般而言，除了保存Class文件中描述的符號引用外，還會將轉化出的直接引用存儲在其中。
??與Class文件常量池相比較而言，運行時常量池還具備動態(tài)性，常量不一定在編譯器產(chǎn)生，即并非預置入Class文件常量池的內容才能進入方法區(qū)運行時常量池，運行期間也可以將新的常量放入池子中，如String類的intern()方法。
異常
??無法申請到內存時，會拋出OutOfMemoryError異常。
補充
直接內存（Direct Memory）
- 該區(qū)域不屬于虛擬機運行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，也不是java虛擬機規(guī)范中定義的內存預期，但會
頻繁使用且導致OutOfMemoryError。 - JDK1.4中新加入的
NIO（New Input/Output）類，引入一種基于通道（Channel）與緩沖區(qū)（Buffer）的I/O方式，可以使用Native函數(shù)庫直接分配堆外內存，然后通過一個存儲在Java堆中的DirectByteBuffer對象作為這塊內存的引用進行操作（可避免在Java堆和Native堆中來回復制數(shù)據(jù)） - 不會受到Java堆大小的限制，但受本機總內存大小以及處理器尋址空間的限制?？赏ㄟ^
-Xmx等參數(shù)來設置實際內存大小，在我們實際操作過程中，經(jīng)常忽視直接內存，使得整個內存區(qū)域總和大于物理內存限制，導致OutOfMemoryError異常。
總結
| 運行時數(shù)據(jù)區(qū) | 線程是否私有 | 作用 | 異常 |
|---|---|---|---|
| 程序計數(shù)器 | 線程私有 | 每個線程都有自己的程序計數(shù)器，是當前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。 | 無 |
| 虛擬機棧 | 線程私有 | 是Java方法執(zhí)行的內存模型，每個方法在執(zhí)行的同時都會創(chuàng)建一個棧幀（Stack Frame）用戶存儲局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息。每個方法從調用直至執(zhí)行完成的過程，就是對應著一個棧幀在虛擬機棧中入棧和出棧的過程。 | 若線程請求的棧深度大于虛擬機所允許的深度，拋出StackOverflowError異常；若虛擬機可以動態(tài)擴展，而擴展時無法申請到足夠的內存，就拋出OutOfMemoryError異常 |
| 本地方法棧 | 線程私有 | 為虛擬機使用本地（Native）方法服務 | 同虛擬機棧 |
| Java堆 | 線程共享 | 在虛擬機啟動時創(chuàng)建，該區(qū)域唯一目的是存放對象實例，幾乎所有實例都是在這里分配內存；gc的主要區(qū)域 | 若堆中沒有內存完成實例分配且堆無法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError異常。 |
| 方法區(qū) | 線程共享 | 存儲已被VM加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器后的代碼等數(shù)據(jù) | 當方法區(qū)無法滿足內存分配需求時，將拋出OutOfMemoryError異常 |
至此，JVM運行時數(shù)據(jù)區(qū)全部總結完畢。
參考
《深入理解Java虛擬機》
