Java 内存区域(运⾏时数据区)

Java 内存区域

Java 虚拟机在执⾏ Java 程序的过程中会把它管理的内存划分成若⼲个不同的数据区域。 JDK. 1.8 和
之前的版本略有不同，下⾯会介绍到。

JDK 1.8之前：

JDK 1.8之后：

其中java虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器是线程私有的，堆和方法区（jdk1.8之后改为元空间）是线程共享的。

Java 虚拟机栈

Java虚拟机栈是线程私有的，它的⽣命周期和线程相同，描述的是 Java ⽅法执⾏的内存模型，每次⽅法调⽤的数据都是通过栈传递的。

Java 内存可以粗糙的区分为堆内存（Heap）和栈内存(Stack),其中栈就是现在说的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。 （实际上，Java虚拟机栈是由⼀个个栈帧组成，⽽每个栈帧中都拥有：局部变量表、操作数栈、动态链接、⽅法出⼝信息。）

局部变量表主要存放了编译器可知的各种数据类型（boolean、 byte、 char、 short、 int、 float、
long、 double）、 对象引⽤（reference类型，它不同于对象本身，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）。

Java 虚拟机栈会出现两种异常： StackOverFlowError和OutOfMemoryError。
1、StackOverFlowError： 若Java虚拟机栈的内存⼤⼩不允许动态扩展，那么当线程请求栈的深度超过当前Java虚拟机栈的最⼤深度的时候，就抛出StackOverFlowError异常。
2、OutOfMemoryError： 若 Java 虚拟机栈的内存⼤⼩允许动态扩展，且当线程请求栈时内存⽤完了，⽆法再动态扩展了，此时抛出OutOfMemoryError异常

Java 栈可⽤类⽐数据结构中栈， Java 栈中保存的主要内容是栈帧，每⼀次函数调⽤都会有⼀个对应的栈帧被压⼊Java栈，每⼀个函数调⽤结束后，都会有⼀个栈帧被弹出。

本地⽅法栈

和虚拟机栈所发挥的作⽤⾮常相似，区别是： 虚拟机栈为虚拟机执⾏ Java ⽅法 （也就是字节码）服务，⽽本地⽅法栈则为虚拟机使⽤到的 Native ⽅法服务。 在 HotSpot 虚拟机中和 Java 虚拟机栈合⼆为⼀。

本地⽅法被执⾏的时候，在本地⽅法栈也会创建⼀个栈帧，⽤于存放该本地⽅法的局部变量表、操作数栈、动态链接、出⼝信息。

⽅法执⾏完毕后相应的栈帧也会出栈并释放内存空间，也会出现 StackOverFlowError 和OutOfMemoryError 两种异常。

程序计数器

程序计数器的作用：

1. 字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从⽽实现代码的流程控制，如：顺序执⾏、选择、循环、异常处理。
2. 在多线程的情况下，程序计数器⽤于记录当前线程执⾏的位置，从⽽当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运⾏到哪⼉了。

注意：程序计数器是唯⼀⼀个不会出现 OutOfMemoryError 的内存区域，它的⽣命周期随着线程的创建⽽创建，随着线程的结束⽽死亡。

堆

Java 虚拟机所管理的内存中最⼤的⼀块， Java 堆是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以及数组都在这⾥分配内存。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称作GC堆（Garbage Collected Heap） .从垃圾回收的⻆度，由于现在收集器基本都采⽤分代垃圾收集算法，所以Java堆还可以细分为：新⽣代和⽼年代：再细致⼀点有： Eden空间、 From Survivor、 To Survivor空间等。 进⼀步划分的⽬的是更好地回收内存，或者更快地分配内存。

1、年轻代(Young Gen)：年轻代主要存放新创建的对象，内存大小相对会比较小，垃圾回收会比较频繁。年轻代分成1个Eden Space和2个Suvivor Space（命名为A和B）。当对象在堆创建时，将进入年轻代的Eden Space。垃圾回收器进行垃圾回收时，扫描Eden Space和A Suvivor Space，如果对象仍然存活，则复制到B Suvivor Space，如果B Suvivor Space已经满，则复制到Old Gen。同时，在扫描Suvivor Space时，如果对象已经经过了几次的扫描仍然存活，JVM认为其为一个持久化对象，则将其移到Old Gen。扫描完毕后，JVM将Eden Space和A Suvivor Space清空，然后交换A和B的角色（即下次垃圾回收时会扫描Eden Space和B Suvivor Space。这么做主要是为了减少内存碎片的产生。
我们可以看到：Young Gen垃圾回收时，采用将存活对象复制到到空的Suvivor Space的方式来确保尽量不存在内存碎片，采用空间换时间的方式来加速内存中不再被持有的对象尽快能够得到回收。
2、年老代(Tenured Gen)：年老代主要存放JVM认为生命周期比较长的对象（经过几次的Young Gen的垃圾回收后仍然存在），内存大小相对会比较大，垃圾回收也相对没有那么频繁（譬如可能几个小时一次）。年老代主要采用压缩的方式来避免内存碎片（将存活对象移动到内存片的一边，也就是内存整理）。当然，有些垃圾回收器（譬如CMS垃圾回收器）出于效率的原因，可能会不进行压缩。
3、持久代(Perm Gen)：持久代主要存放类定义、字节码和常量等很少会变更的信息。

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。虽然Java虚拟机规范把⽅法区描述为堆的⼀个逻辑部分，但是它却有⼀个别名叫做 Non-Heap（⾮堆），⽅法区也被称为永久代 。

JDK 1.8 的时候，⽅法区（HotSpot的永久代）被彻底移除了（JDK1.7就已经开始了），取⽽代之是元空间，元空间使⽤的是直接内存。 与永久代很⼤的不同就是，如果不指定⼤⼩的话，随着更多类的创建，虚拟机会耗尽所有可⽤的系统内存。

⽅法区和永久代的关系

《Java虚拟机规范》只是规定了有⽅法区这么个概念和它的作⽤，并没有规定如何去实现它。那么，在不同的 JVM 上⽅法区的实现肯定是不同的了。 ⽅法区和永久代的关系很像Java中接⼝和类的关系，类实现了接⼝，⽽永久代就是HotSpot虚拟机对虚拟机规范中⽅法区的⼀种实现⽅式。 也
就是说，永久代是HotSpot的概念，⽅法区是Java虚拟机规范中的定义，是⼀种规范，⽽永久代是⼀种实现，⼀个是标准⼀个是实现，其他的虚拟机实现并没有永久带这⼀说法。

为什么要将永久代(PermGen)替换为元空间(MetaSpace)

整个永久代有⼀个 JVM 本身设置固定⼤⼩上线，⽆法进⾏调整，⽽元空间使⽤的是直接内存，受本机可⽤内存的限制，并且永远不会得到java.lang.OutOfMemoryError。你可以使⽤ -XX：MaxMetaspaceSize 标志设置最⼤元空间⼤⼩，默认值为 unlimited，这意味着它只受系统内存的限制。 -XX： MetaspaceSize 调整标志定义元空间的初始⼤⼩如果未指定此标志，则 Metaspace 将根据运⾏时的应⽤程序需求动态地重新调整⼤⼩。

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，还有常量池信息（⽤于存放编译期⽣成的各种字⾯量和符号引⽤）既然运⾏时常量池时⽅法区的⼀部分，⾃然受到⽅法区内存的限制，当常量池⽆法再申请到内存时会抛出 OutOfMemoryError 异常。JDK1.7及之后版本的 JVM 已经将运⾏时常量池从⽅法区中移了出来，在 Java 堆（Heap）中开辟了⼀块区域存放运⾏时常量池

直接内存

直接内存并不是虚拟机运⾏时数据区的⼀部分，也不是虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁地使⽤。⽽且也可能导致 OutOfMemoryError 异常出现。

JDK1.4 中新加⼊的 NIO(New Input/Output) 类，引⼊了⼀种基于通道（Channel） 与缓存区（Buffer） 的 I/O ⽅式，它可以直接使⽤ 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。这样就能在⼀些场景中显著提⾼性能，因为避免了在 Java 堆和 Native 堆之间来回复制数据。

本机直接内存的分配不会收到 Java 堆的限制，但是，既然是内存就会受到本机总内存⼤⼩以及处理器寻址空间的限制。