Java 虚拟机内存区域划分 - Higurashi

概要

在 Java 8 中，虚拟机内存主要由以下几个部分组成：

程序计数器（Program Counter Register）：用于保存当前线程执行的位置，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器，当线程被切换后，用来恢复线程执行的位置。为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器。

虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）：用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口（方法返回地址）等信息。每个线程都拥有一个虚拟机栈，它的生命周期与线程相同。

本地方法栈（Native Method Stack）：它与虚拟机栈相似，只是为本地方法服务。

堆（Heap）：它是 Java 虚拟机中内存最大的一块，用于存储对象实例。堆为所有线程共享，是非线程安全的。是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称为“GC 堆”。

• 字符串常量池（String Constant Pool）：堆的一部分，专门存储字符串。

方法区（Method Area）：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。JDK7 及之前，HotSpot 虚拟机通过永久代（PermGen）实现方法区，在 JDK8 之后，永久代被元空间（Meta Space）所取代。

• 运行时常量池（Runtime Constant Pool）：方法区的一部分，用于存储编译期生成的各种字面量和符号引用。

直接内存（Direct Memory）：直接内存 (Direct Memory) 并不是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。在 JDK 1.4 中新加入了 NIO(New Input/Output) 类，引入了一种基于通道 (Channel) 与缓冲区 (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 堆里面的 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。

程序计数器（Program Counter Register）

Java 8 中的程序计数器是一块较小的内存区域，用于记录当前线程执行字节码的位置，也就是指向下一条将要执行的指令的地址。

• 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。
• 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。

程序计数器是线程私有的，也就是每个线程都有一个独立的计数器，程序计数器的值在线程之间是互相独立的，不会出现线程安全问题。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。

另：程序计数器是唯一一个不会出现 OutOfMemoryError 的内存区域

虚拟机栈（VM Stack）

每个线程在创建时，Java 虚拟机会为其分配一个独立的虚拟机栈（下文简称栈），线程内的方法调用是通过其虚拟机栈实现的。

栈由一个个栈帧组成，而每个栈帧中都拥有：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址。

方法调用的数据需要通过栈进行传递。每一次方法调用都会有一个对应的栈帧被压入栈中，每一个方法调用结束后，都会有一个栈帧被弹出。和数据结构上的栈类似，两者都是先进后出的数据结构，只支持出栈和入栈两种操作。

与程序计数器一样，虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期和线程相同，随着线程的创建而创建，随着线程的死亡而死亡。

在方法调用时，Java 虚拟机会将调用方法所需的参数、返回地址等信息压入该线程对应的虚拟机栈中，然后执行方法体中的代码。当方法执行完毕，返回时，Java 虚拟机会将之前压入虚拟机栈的信息弹出，并返回到调用该方法的位置。

Java 方法有两种返回方式，一种是 return 语句正常返回，一种是抛出异常。不管哪种返回方式，都会导致栈帧被弹出。也就是说，栈帧随着方法调用而创建，随着方法结束而销毁。无论方法正常完成还是异常完成都算作方法结束。

栈空间虽然不是无限的，但一般正常调用的情况下是不会出现问题的。不过，如果函数调用陷入无限循环的话，就会导致栈中被压入太多栈帧而占用太多空间，导致栈空间过深。那么当线程请求栈的深度超过当前 Java 虚拟机所允许的最大深度的时候，就抛出 StackOverFlowError 错误。

除了 StackOverFlowError 错误之外，栈还可能会出现 OutOfMemoryError 错误，这是因为如果栈的内存大小可以动态扩展，如果虚拟机在动态扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出 OutOfMemoryError 异常。

• StackOverFlowError：若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 错误。
• OutOfMemoryError：如果栈的内存大小可以动态扩展，如果虚拟机在动态扩展栈时无法申请到足够的内存空间，则抛出 OutOfMemoryError 异常。

HotSpot 虚拟机的栈容量是不可以动态扩展的，所以在 HotSpot 虚拟机上不会由于虚拟机栈无法扩展而导致 OutOfMemoryError 异常——只要线程申请栈空间成功了就不会有 OOM，但是如果申请时就失败，仍然会出现 OOM。

以下是一个简单的示例代码，用于演示虚拟机栈的使用：

public class StackDemo {public static void main(String[] args) {int result = calculate(10);System.out.println("Result: " + result);}public static int calculate(int num) {if (num == 1) {return 1;}return num * calculate(num - 1);}
}

在上述代码中，calculate 方法使用了递归调用来计算 num 的阶乘。每次调用该方法时，都会将当前 num 的值及其他信息封装成栈帧压入虚拟机栈中，并在计算完下一次调用的结果后弹出。整个过程先会多次压入栈帧，直到 num 的值为 1 时，开始逐个弹出栈帧并将计算结果返回。

本地方法栈（Native Method Stack）

它为虚拟机使用到的本地方法提供栈支持，和虚拟机栈类似，区别是虚拟机栈为 Java 方法服务，本地方法栈为 Native 方法服务。栈的大小可以通过设置 -Xss 来控制，默认大小为 1MB。

《Java 虚拟机规范》对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有任何强制规定，在 HotSpot 虚拟机中，直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

堆（Heap）

堆（Heap）是 Java 虚拟机用于存放对象实例的区域，是 JVM 中最大的一块内存区域，可以通过设置 -Xmx 和 -Xms 来控制最大和最小值。堆内存是线程共享的，因此在多线程的情况下需要进行并发控制。

在 Java 程序中，每当使用 new 关键字创建一个对象时，JVM 会自动在堆内存中为该对象分配内存空间，并返回该对象的引用。堆是垃圾收集器所管理的内存区域，当堆中没有可用内存时，会抛出 OutOfMemoryError 异常。

从垃圾回收的角度，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、Survivor、Old 等空间。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。

Java 世界中“几乎”所有的对象都在堆中分配，但是，随着 JIT 编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化，所有的对象都分配到堆上也渐渐变得不那么“绝对”了。从 JDK 1.7 开始已经默认开启逃逸分析，如果某些方法中的对象引用没有被返回或者未被外面使用（也就是未逃逸出去），那么对象可以直接在栈上分配内存。

方法区（Method Area）

方法区属于是 JVM 运行时数据区域的一块逻辑区域，是各个线程共享的内存区域。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。永久代空间不足会抛出 OutOfMemoryError 异常。

永久代（Permanent Generation）以及元空间（Metaspace）是 HotSpot 虚拟机对虚拟机规范中方法区的两种实现方式。并且，永久代是 JDK 1.8 之前的方法区实现，JDK 1.8 及以后方法区的实现变成了元空间。

元空间使用本地内存实现，不再像方法区那样有固定的大小限制，它的大小受限于操作系统的可用内存大小。

当虚拟机要使用一个类时，它需要读取并解析 Class 文件获取相关信息，再将信息存入到方法区。方法区会存储已被虚拟机加载的类信息、字段信息、方法信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。

例如，下面的代码中定义了一个类 Person，其中包含一个静态变量 count 和一个静态方法 getCount：

public class Person {public static int count = 0;public static int getCount() {return count;}
}

在这个例子中，当这个类被加载时，类的信息（包括静态变量 count 和静态方法 getCount）就会被存储在方法区/元空间中。每个线程都可以通过调用 Person.getCount() 方法来获取 count 的值，因为它是共享的。

运行时常量池

Java 8 中的运行时常量池是指在类或接口中定义的常量的集合，包括编译期间确定的常量和运行期间确定的常量。它是一块位于方法区的内存区域，在类加载时被创建，用于存储类、接口、方法中使用的符号引用，如类名、字段名、方法名等，以及字面量常量（如字符串、数字）。

举个例子，假设有一个类如下所示：

public class Constants {public static final int COUNT = 100;public static final String NAME = "Java";
}

在类加载时，常量池会为该类创建一个常量池表，其中包含了 COUNT 和 NAME 这两个常量的值和引用。当其他类或方法引用 Constants.COUNT 或 Constants.NAME 时，实际上是从常量池中获取对应的值或引用。在运行时，如果需要创建字符串常量或使用字符串常量做参数，也会在常量池中创建相应的字符串对象。

字符串常量池

字符串常量池是 JVM 为了提升性能和减少内存消耗针对字符串（String 类）专门开辟的一块区域，主要目的是为了避免字符串的重复创建。当 Java 程序中创建字符串对象时，如果该字符串在字符串常量池中已经存在，则返回该字符串的引用；否则将该字符串添加到字符串常量池中，并返回新的引用。

JDK7 开始字符串常量池从方法区移动到堆中。

参考：Java 内存区域详解（重点）、JVM 之 方法区、永久代（PermGen space）、元空间（Metaspace）三者的区别