Java内存结构

运行时数据区域

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。Java虚拟机所管理的内存包括如下几个部分：

程序计数器

程序计数器是一块较小的空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理其执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理起都只会执行一条线程中的指令。因此为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储。

如果线程正在执行一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果线程正在执行的是一个Native方法，这个计数器则为空。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

Java虚拟机栈

虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。如下：

每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型、引用类型（reference类型，它不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量表空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度（例如一个方法循环的递归自己，不加任何控制），将抛出StackOverflowError异常：如果虚拟机栈可以动态扩展，扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务，而本地方法栈则为虚拟机使用Native方法服务。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆

Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。虚拟机规范中是这样描述的：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称作“GC堆”。具体的垃圾回收后面文章再详细说。

根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是扩展的，不过当前主流虚拟机都是可扩展的（通过-Xmx和-Xms控制）。如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，就会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

方法区与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

对于HotSpot虚拟机，方法区也可以叫做“永久代”（后面垃圾回收文章中将会详细解释）。Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存空间和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。

根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池中。一般来说，Java虚拟机还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。

• 字面量：代码中固定值的表示法，例如：int i = 1; 1就是字面量。
• 符号引用：在Java中，编译时，java类并不知道所引用类的实际地址，因此只能使用符号引用来代替，比如People类中引用了Student类，在编译时，并不知道Student类的实际内存地址，只能使用符号com.simple.Student来表示Student类的地址。
• 直接引用：程序运行时可以定位到引用的东西（类、对象、变量或者方法等）的地址。

运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是并非预置于Class文件中常量池的内容才能进入运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，例如String类的intern()方法。

既然运行时常量池是方法区的一部分，自然也收到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时将抛出OutOfMemoryError异常。

Class常量池是在编译期每个class都有的，存放的是常量的符号引用。运行时常量池是在类加载完成之后，将每个Class常量池中的符号引用转存到运行时常量池中，每个class都有一个运行时常量池，类在解析之后，将符号引用替换成直接引用。

直接内存

直接内存并不是Java虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。但这部分内存也被频繁的使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。在NIO中，引入了一种基于通道（Channel）于缓存区（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆中的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是，既然是内存，肯定还是收到本机总内存大小的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常忽略直接内存，从而导致出现OutOfMemoryError异常。