JVM運行時數據區

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。這些區域都有各自的用途，已經創建和銷毀時間，有的區域隨著虛擬機進程的啟動而創建，有些區域則依賴用戶線程的啟動和結束而創建和銷毀。根據《Java虛擬機規范（Java SE 7）》的規定，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，如下圖所示：

1.jpg

1、程序計數器

程序計數器（Program Counter Register）是一塊較小的內存空間，它可以看做是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。在虛擬機的概念模型里（僅是概念模型，各種虛擬機可能會通過一些更高效的方式去實現），字節碼解釋器工作時就是通過改變這個計數器的值來選取下一條需要執行的字節碼指令、分支、循環、跳轉、異常處理、線程恢復等基礎功能都需要依賴這個計數器來完成。

由于Java虛擬機的多線程是通過線程輪流切換并分配處理器執行時間的方式來實現的。在任何一個確定的時刻，一個處理器都只會執行一條線程中的指令。因此，為了線程切換后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。

如果線程正在執行的是一個Java方法，那這個計數器記錄的是正在執行的字節碼指令的地址；如果正在執行的是Native方法，這個計數器值則為空（undefined）。 此內存區域是唯一一個在Java虛擬機規范中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域。

程序計數器是線程私有的，它的生命周期與線程相同（隨線程而生，隨線程而滅）。

2、Java虛擬機棧

虛擬機棧（Java Virtual Machine Stack）描述的是Java方法執行的內存模型：每個方法被執行的同時都會創建一個棧幀（Stack Frame）用于存儲局部變量表、操作數棧、動態鏈接、方法出口等信息。每一個方法從被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從入棧到出棧的過程。

在Java虛擬機規范中，對這個區域規定了兩種異常情況：

• 如果線程請求的棧深度大于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Java虛擬機都可以擴展），如果擴展時無法申請到足夠的內存，就會拋出OutOfMemoryError異常。

與程序寄存器一樣，java虛擬機棧也是線程私有的，它的生命周期與線程相同。

3、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類似，它們之間的區別在于虛擬機棧為虛擬機執行Java方法服務，而本地方法棧則是為虛擬機使用到的Native方法服務。在虛擬機規范中對本地方法棧中方法使用的語言、使用方式與數據結構 并沒有強制規定，因此具體的虛擬機可以自由的實現它。

與虛擬機棧一樣，本地方法棧區域也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

與虛擬機棧一樣，本地方法棧也是線程私有的。

4、Java 堆（Java Heap）

對于大多數應用來說，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，在虛擬機啟動的是創建。此內存區域的唯一目的就是存放對象實例，幾乎所有的對象實例以及數組都要在這里分配內存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要區域，因此很多時候也被稱為“GC堆”（Garbage Collected Heap）。從內存回收的角度來看，由于現在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆還可以細分為：新生代和老年代；新生代又可以分為：Eden 空間、From Survivor空間、To Survivor空間。

根據Java虛擬機規范的規定，Java堆可以處于物理上不連續的內存空間中，只要邏輯上是連續的即可，就像我們的磁盤空間一樣。在實現時，既可以實現成固定大小的，也可以是可擴展的，不過當前主流的虛擬機都是按照可擴展來實現的（通過-Xms和-Xmx控制）。如果在堆中沒有內存完成實例的分配，并且堆也無法再擴展時，將會拋出OutOfMemoryError異常。

5、方法區（Method Area）

方法區（Method Area）和Java堆一樣，是各個線程共享的內存區域，它用于存放已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、JIT編譯后的代碼等數據。方法區在虛擬機啟動的時候創建。

對于習慣在Hotspot虛擬機上開發、部署應用程序的開發者來說，很多人都更愿意把方法區稱為“永久代”（Permanent Generation），本質上兩者并不等價，僅僅是因為Hotspot虛擬機的設計團隊選擇把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而已，這樣Hotspot的垃圾收集器可用像管理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。對于其他虛擬機（如BEA JRockit、IBM J9等）來說，是不存在永久代的概念的。

Java虛擬機規范對方法區的限制非常寬松，除了和堆一樣不需要不連續的內存空間和可以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，但并非數據進入了方法區就如永久代的名字一樣"永久"存在了。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，一般來說，這個區域的回收"成績" 比較難以讓人滿意。

根據Java虛擬機規范的規定，如果方法區的內存空間不能滿足內存分配需要時，將拋出OutOfMemoryError異常。

6、運行時常量池

運行時常量池（Runtime Constant Pool）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（Constant Pool Table），用于存放編譯期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的運行時常量池中存放。

7、直接內存

直接內存（Direct Memory）并不是虛擬機運行時數據區的一部分，也不是Java虛擬機規范中定義的內存區域。但是這部分內存也被頻繁使用，而且也可能導致OutOfMemoryError異常出現。

在JDK 1.4 中新加入了NIO（New Input/Output）類，引入了一種基于通道（Channel）與緩沖區（Buffer）的I/O方法，它可以使用Native函數庫直接分配堆外內存，然后通過一個存儲在Java堆中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堆中來回復制數據。

JVM內存分代

JVM_memory.png

JVM堆內存被分為兩部分：年輕代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。

JVM 常用的參數

參考資料

深入理解Java虛擬機：JVM高級特性與最佳實踐（第2版）


Java內存與垃圾回收調優：http://www.importnew.com/14086.html