前言：

我們每天都在編寫(xiě)Java代碼，編譯，執(zhí)行。很多人已經(jīng)知道Java源代碼文件(.java后綴)會(huì)被Java編譯器編譯為字節(jié)碼文件(.class后綴)，然后由JVM中的類加載器加載各個(gè)類的字節(jié)碼文件，加載完畢之后，交由JVM執(zhí)行引擎執(zhí)行。

那在整個(gè)程序執(zhí)行過(guò)程中，JVM中怎么存取數(shù)據(jù)和相關(guān)信息呢？

事實(shí)上在JVM中是用一段空間來(lái)存儲(chǔ)程序執(zhí)行期間需要用到的數(shù)據(jù)和相關(guān)信息，這段空間一般被稱作為Runtime Data Area（運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)），也就是我們常說(shuō)的JVM內(nèi)存。

一、運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域包括哪些？

根據(jù)《Java虛擬機(jī)規(guī)范》的規(guī)定，運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)通常包括這幾個(gè)部分：程序計(jì)數(shù)器(Program Counter Register)、Java虛擬機(jī)棧(Java Vitual Machine Stack)、本地方法棧(Native Method Stack)、方法區(qū)(Method Area)、堆(Heap)。

二、各個(gè)部分存儲(chǔ)的信息和負(fù)責(zé)的職能

1、程序計(jì)數(shù)器

這個(gè)內(nèi)存區(qū)域是Java虛擬機(jī)規(guī)范中唯一一個(gè)沒(méi)有規(guī)定任何OOM（OutOfMemoryError）情況的區(qū)域，這是這個(gè)區(qū)域最大的特點(diǎn)之一，這是因?yàn)槌绦蛴?jì)數(shù)器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)所占空間的大小不會(huì)隨程序的執(zhí)行而發(fā)生改變，因此，對(duì)于程序計(jì)數(shù)器是不會(huì)發(fā)生內(nèi)存溢出現(xiàn)象(OutOfMemory)的。

這個(gè)區(qū)域主要是負(fù)責(zé)記錄正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令地址，即當(dāng)前線程執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器（注意：JVM不是直接執(zhí)行Java代碼，而是執(zhí)行.class文件，所以只要其他編程語(yǔ)言能翻譯成.class文件一樣能放入JVM中執(zhí)行）。

JVM會(huì)給每個(gè)線程一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器之間互不影響，且通過(guò)線程輪流切換并且分配處理器執(zhí)行時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)JVM的多線程。不過(guò)當(dāng)線程執(zhí)行的是Native方法的時(shí)候這個(gè)計(jì)數(shù)器中的值為undefined。

2、Java虛擬機(jī)棧
和程序計(jì)數(shù)器一樣的是Java虛擬機(jī)棧是線程私有，生命周期和線程相同。虛擬機(jī)棧描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個(gè)方法在執(zhí)行的時(shí)候都會(huì)創(chuàng)建棧幀，用來(lái)存儲(chǔ)局部變量表，操作數(shù)棧，動(dòng)態(tài)鏈接，方法出口等信息，每個(gè)方法從調(diào)用到執(zhí)行完成的過(guò)程，就對(duì)應(yīng)一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)中入棧到出棧的過(guò)程，其中64位長(zhǎng)度的long和double類型的數(shù)據(jù)會(huì)占用2個(gè)局部變量空間，其余的數(shù)據(jù)類型只占用1個(gè)。

這里需要理解一下的就是為什么要用棧這個(gè)結(jié)構(gòu)呢，比如A方法中調(diào)用了B方法，虛擬機(jī)中是先讓A方法的棧幀進(jìn)入虛擬機(jī)棧執(zhí)行，當(dāng)執(zhí)行到調(diào)用B方法的語(yǔ)句就讓B棧幀進(jìn)入，執(zhí)行完之后B棧幀就出棧，A棧就繼續(xù)執(zhí)行。這里注意的是如果遞歸的方法遞歸的太深很容易拋出下面兩種異常，所以遞歸雖然寫(xiě)起來(lái)方便，但是性能會(huì)有所下降，并且容易拋出異常。

Java虛擬機(jī)規(guī)范中，對(duì)這個(gè)區(qū)域規(guī)定了兩種異常狀況

• 線程請(qǐng)求棧的深度大于虛擬機(jī)所允許棧的深度，將拋出Stack Overflow Error
• 如果虛擬機(jī)棧可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展且擴(kuò)展時(shí)無(wú)法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存，會(huì)拋出OutOfMemoryError

3、本地方法棧

與虛擬機(jī)棧作用相似，不過(guò)是虛擬機(jī)棧為虛擬機(jī)執(zhí)行Java方法提供，而本地方法為虛擬機(jī)使用到的Native方法服務(wù)，Native方法多是用C++寫(xiě)的。拋出的異常和虛擬機(jī)棧相同。

4、Java堆

Java堆是與前面的區(qū)域不同的是：這個(gè)區(qū)域是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，用來(lái)存放對(duì)象實(shí)例，并為對(duì)象實(shí)例分配好內(nèi)存。Java虛擬機(jī)規(guī)范中這樣描述：所有對(duì)象實(shí)例以及數(shù)組都要在堆上分配Java堆也是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，也叫”GC堆“。由于現(xiàn)在的垃圾回收算法多是分代收集，所以Java堆里面又可分為：新生代和老年代。并且根據(jù)Java虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定：Java堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，只要邏輯上連續(xù)即可。有實(shí)例沒(méi)有被分配，且堆無(wú)法再擴(kuò)展的時(shí)候會(huì)拋出OutOfMemoryError異常，虛擬機(jī)調(diào)優(yōu)其實(shí)也主要關(guān)注的是這個(gè)區(qū)域。

5、方法區(qū)

與Java堆一樣，線程共享，用來(lái)存儲(chǔ)被虛擬機(jī)加載的類信息，常量，靜態(tài)變量。這個(gè)區(qū)域Java虛擬機(jī)規(guī)范對(duì)其特別寬松，既可以像Java堆那樣不需要連續(xù)內(nèi)存，又可以選擇固定大小和可擴(kuò)展。還可以選擇不實(shí)現(xiàn)垃圾收集，這個(gè)區(qū)域的內(nèi)存回收目標(biāo)主要是針對(duì)常量池的回收和對(duì)類型的卸載。當(dāng)無(wú)法滿足內(nèi)存分配需求時(shí)，將拋出OutOfMemoryError異常。

目前虛擬機(jī)Hotspot已經(jīng)將這部分存儲(chǔ)空間從使用JVM內(nèi)存換成使用本地內(nèi)存，即這部分不再叫永久代，而是元空間。這個(gè)元空間實(shí)際上是JVM動(dòng)態(tài)規(guī)定內(nèi)存大小。這個(gè)替換有什么優(yōu)勢(shì)呢？因?yàn)樽址Ａ砍厥谴嬖谟谰么校苋菀壮霈F(xiàn)性能問(wèn)題，并且類和方法信息大小難確定，給永久代的的大小指定帶來(lái)困難，而且GC會(huì)對(duì)永久代特殊處理，這就增加了GC的復(fù)雜性。從JDK1.7開(kāi)始，字符串常量池就劃分進(jìn)了堆中，其他的更多是元空間在內(nèi)存劃分的算法上更趨于合理

6、運(yùn)行時(shí)常量池

是方法區(qū)的一部分。用于存放編譯期生成的各種字面量和符號(hào)引用，同時(shí)也會(huì)把翻譯出來(lái)的直接引用也存儲(chǔ)在運(yùn)行時(shí)的常量池中，具有動(dòng)態(tài)性。常量不一定只有編譯期才能產(chǎn)生，運(yùn)行期間也可以將新的常量放入池中。例如String的Intern()方法。同樣拋出OutOfMemoryError異常

三、直接內(nèi)存

這個(gè)區(qū)域并不是屬于運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域，但是這個(gè)區(qū)域也會(huì)被頻繁使用，并且拋出OOM異常。這個(gè)區(qū)域主要是由于在JDK1.4中新加入了NIO（New Input/Output）類，引入了一種基于通道與緩沖區(qū)的I/O方式，它可以使用Native函數(shù)庫(kù)直接分配堆外內(nèi)存，通過(guò)一個(gè)儲(chǔ)存在Java堆中的DirectByteBuffer對(duì)象作為這塊內(nèi)存的引用進(jìn)行操作。

這樣能避免在Java堆和Native堆中來(lái)回復(fù)制數(shù)據(jù)，從而在一些場(chǎng)景中顯著提高性能。直接內(nèi)存分配不會(huì)受到Java堆大小的限制，會(huì)受到本機(jī)總內(nèi)存大小及處理器尋址空間的限制。會(huì)拋出OutOfMemoryError異常

四、總結(jié)

只有程序計(jì)數(shù)器不會(huì)報(bào)出任何相關(guān)OOM異常，而Java虛擬機(jī)棧有可能會(huì)報(bào)出OOM或Stack Overflow異常。Java虛擬機(jī)棧主要是存儲(chǔ)方法的一些信息，能讓方法順利的執(zhí)行，而Java堆存儲(chǔ)的是對(duì)象的信息。虛擬機(jī)的垃圾回收算法主要在這一塊，并且平常調(diào)優(yōu)的區(qū)域也是在這一塊。

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