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本篇從概念上介紹Java虛擬機內存的各個區域，這些區域的作用、服務對象以及其中可能產生的問題，這是瞭解Java虛擬機的第一步。
運行時數據區域:Java虛擬機在執行Java程序的過程中會把它所管理的內存劃分為若干個不同的數據區域。Java虛擬機所管理的內存將會包括以下幾個運行時數據區域
- 程序計數器
程序計數器（Program Counter Register）是一塊較小的內存空間，它可以看作是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。
Java虛擬機的多線程是通過線程輪流切換並分配處理器執行時間的方式來實現的，在任何一個確定時刻，一個處理器（對於多核處理器來說是一個內核）都只會執行一條線程中的指令。因此，為了線程切換後能恢復到正確的執行位置，每條線程都需要有一個獨立的程序計數器，各個線程之間計數器互不影響，獨立存儲 ，我們稱這類內存區域為“線程私有”的內存。
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擬機字節碼指令的地址；如果正在執行的是Native方法，這個計數器值則為空（Undefind）。此內存區域是唯一一個在Java虛擬機規範中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域。
- Java虛擬機棧
與程序計數器一樣，Java虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）也是線程私有的，它的生命週期與線程相同。虛擬機棧描述的是Java方法執行的內存模型：每個方法在執行的同時都會創建一個棧幀（Stack Frame）用於存儲局部變量表、操作數棧、動態鏈接、方法出口等信息。每一個方法從調用直至執行完成的過程，就對應著一個棧幀在虛擬機棧中入棧到出棧的過程。
局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數據類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、
對象引用（reference類型，它不等同於對象本身，可能是一個指向對象起始地址的引用指針，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（指向了一條字節碼指令的地址）。其中64位長度的long和double類型的數據會佔用2個局部變量空間（Slot），其餘的數據類型只佔用1個。局部變量表示所需的內存空間在編譯期間完成分配，當進入一個方法時，這個方法需要在幀中分配多大的局部變量空間時完全確定的，在方法運行期間不會改變局部變量表的大小。Java虛擬機規範中，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於虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常；如果虛擬機棧可以動態擴展（當前大部分的虛擬機都可動態擴展，只不過Java虛擬機規範中也允許固定長度的虛擬機棧），如果擴展時無法申請到足夠的內存，就會拋出OutOfMemoryError異常。
- 本地方法棧
本地方法棧（Native Method Stack）與虛擬機棧所發揮的作用是非常相似的，他們之間的區別不過是虛擬機棧為虛擬機執行Java方法（也就是字節碼）服務，而本地方法棧則為虛擬機使用到Native方法服務。在虛擬機規範中對本地方法棧中方法使用的語言、使用方式與數據結構並沒有強制規定，因此具體的虛擬機可以自由實現它。甚至有的虛擬機（譬如Sun HotSpot虛擬機）直接就把本地方法棧和虛擬機棧合二為一。與虛擬機棧一樣，本地方法棧區域也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。
- Java堆
一般來說，Java堆（Java Heap）是Java虛擬機所管理的內存中最大的一塊。Java堆是被所有線程共享的一塊內存區域，在虛擬機啟動時創建，幾乎所有的對象實例都在這裡分配內存。這一點在Java虛擬機規範中的描述是：所有的對象實例以及數組都要在堆上分配。但是隨著JIT編譯器的發展與逃逸分析技術逐漸成熟，棧上分配、標量替換優化技術將會導致一些微妙的變化發生，所有的對象都分配在堆上也漸漸變得不那麼“絕對”了。
Java堆是垃圾收集器管理的主要區域。從內存回收的角度來看，由於現在收集器基本都採用分代收集算法，所有Java堆還可以細分為：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。從內存分配的角度來看，線程共享的Java堆中可能劃分出多個線程私有的分配緩衝區（Thread Local Allocation Buffer,TLAB）。
Java堆可以處於物理上不連續的內存空間中，只要邏輯上是連續的即可，就像我們磁盤空間一樣。在實現時，既可以實現成固定大小的，也可以是擴展的，不過當前主流的虛擬機都是按照可擴展來實現的（通過-Xmx和-Xms控制）。如果在堆中沒有內存完成實例分配，並且堆也無法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError異常。
- 方法區
方法區（Method Area）與Java堆一樣，是各個線程共享的內存區域，它用於存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯後的代碼等數據。Java虛擬機規範把方法區描述為堆的一個邏輯部分，但它卻又一個別名叫做Non-Heap（非堆），目的應該是與Java堆區分開來。
HotSpot虛擬機的設計選擇把GC分代收集擴展至方法區，或者說使用永久代來實現方法區，這樣HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一樣管理這部分內存，能夠省去專門為方法區編寫內存管理代碼的工作。所以，對於習慣在HotSpot虛擬機上開發、部署的程序員，很多人都更願意把方法區稱為“永久代”。使用永久代來實現方法區，更容易遇到內存溢出的問題（永久代有-XX:MaxPermSize的上限，J9和JRockit只要沒有觸碰到進程可用內存的上限，例如32位系統中的4GB，就不會出現問題），在JDK1.7的HotSpot中，已經把原本放在永久代的字符串常量池移出。
Java虛擬機規範對方法區的限制非常寬鬆，除了和Java堆一樣不需要連續的內存和可以選擇固定大小或者可擴展外，還可以選擇不實現垃圾收集。相對而言，垃圾收集行為在這個區域是比較少出現的，這個區域的內存回收目標主要是針對常量池的回收和對類型的卸載。根據Java虛擬機規範的規定，當方法區無法滿足內存分配需求時，將拋出OutOfMemoryError異常。
- 運行時常量池
運行時常量池（Runtime ConstantPool）是方法區的一部分。Class文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述信息外，還有一項信息是常量池（ConstantPool Table），用於存放編譯器生成的
各種字面量和符號引用，這部分內容將在類加載後進入方法區的運行時常量池中存放。Java虛擬機對Class文件每一部分（自然也包括常量池）的格式都有嚴格規定，每一個字節用於存儲哪種數據都必須符合規範上的要求才會被虛擬機認可、裝載和執行，但對於運行時常量池，Java虛擬機規範沒有做任何細節的要求，不同的提供商實現的虛擬機可以按照自己的需求來實現這個內存區域。不過一般來說，除了保持Class文件中描述的符號引用外，還會把翻譯出來的直接引用也存儲在運行時常量池中。
運行時常量池相對於Class文件常量池的另外一個重要特徵是具備動態性，Java語言並不要求常量一定只有編譯期才能產生，也就是並非預置入Class文件中常量池的內容才能進入方法區運行時常量池，運行期間也可能將新的常量放入池中，這種特性被開發人員利用得比較多的便是String類的intern()方法。
既然運行時常量池是方法區的一部分，自然受到方法區內存的限制，當常量池無法再申請到內存時會拋出OutOfMemoryError異常。
- 直接內存
直接內存（Direct Memory）並不是虛擬機運行時數據區的一部分，也不是Java虛擬機規範中定義的內存區域。但是這部分內存也被頻繁地使用，而且也可能導致OutOfMemoryError異常出現。
JDK1.4中新加入了NIO類，引入了一種基於通道（Channel）與緩衝區（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函數庫直接分配堆外內存，然後通過一個存儲在Java堆中的DirectByteBuffer對象作為這塊內存的引用進行操作。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堆中來回複製數據。本機直接內存的分配不會受到Java堆大小的限制，但是可能還是會受到本機總內存（保存RAM以及SWAP區或者分頁文件）大小以及處理器尋址空間的限制。
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