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JVM 执行 Java 程序时的内存区域划分

在学习 Java 虚拟机（后面简称： JVM ）中的垃圾回收机制（GC）之前，先需要了解在 JVM 中的 Java 程序（class 文件）加载到内存之后到底是怎么存的。在阅读了 JVM规范 和周志明的 《深入理解Java虚拟机（第2版）》 之后，总结一下JVM中的内存划分以及各个区域的作用。

在JVM规范中定义了5种运行时的数据区域：程序计数器（Program Counter Register）、Java虚拟机栈（JVM Stacks）、堆（Heap）、方法区（Method Area）、运行时常量池（Runtime Constant Pool）、本地方法栈（Native Method Stack）。在周志明的书中还提到了直接内存（Direct Memory），它并不是JVM运行时数据区域的一部分，在JVM的规范中也没有相关的定义。下面分别来说明各自的用途。

程序计数器

程序计数器，也叫PC Register。它的用途很单一，但是却是很多功能的基础。如果线程当前执行的是Native方法，那么寄存器里的值就是Undefined；如果线程当前执行的是非Native方法，那么寄存器里的值就是当前执行的JVM字节码指令的地址。像我们常用的分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等都依赖于它。

由于JVM支持多个线程同时执行，所以每个线程都有一个独立的程序计数器，各个线程互不影响，这类内存区域也称之为 线程私有 的。

Java虚拟机栈

虚拟机栈也是 线程私有 的，随着一个线程的创建而创建，主要用来存储栈帧（Stack Frame）。什么是栈帧呢？在Java中，每个方法在执行时就会先创建一个栈帧并放入虚拟机栈中，在方法执行完毕时再从虚拟机栈中移除该栈帧。它主要用来存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。我们常说的堆（Heap）和栈（Stack）中的栈，指的就是虚拟机栈。

在JVM规范中并没有对虚拟机栈空间的大小做限制，可以设置为固定大小的，也可以设置为可扩展的。但是在规范中定义了两种异常情况：

StackOverflowError
OutOfMemoryError

堆

相比而言，堆在JVM管理的内存区域中属于最大的一块，随着虚拟机的启动而创建，用来存储所有的class实例和数组，所有 线程共享 这一区域，该区域也是垃圾回收的主要区域。虽然JVM规范中说所有的对象实例都在该区域分配空间，但是随着JIT技术的逐步发展，这一说法也不严谨了。

堆空间的大小也可以设置为固定大小，或者可扩展的。但不管是何种方式，规范中还是定义了一种异常场景：

如果计算需要更多的堆空间而无法满足时，则会抛出 OutOfMemoryError 异常。

方法区

方法区和堆一样，也是随着虚拟机启动而创建，所有 线程共享 ，主要用来存储被JVM加载的类信息、常量、静态变量等信息。

JVM规范中并未严格要求要对该区域进行垃圾回收，但是HotSpot虚拟机在垃圾回收的时候还是会考虑该区域，在分代垃圾回收中所说的“ 永久代 ”指的就是方法区。方法区的大小也可以设置为固定大小，或者可扩展的。但不管是何种方式，规范中还是定义了一种异常场景：

如果计算需要更多的方法区空间而无法满足时，则会抛出 OutOfMemoryError 异常。

运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分，用于存储编译期生成的各种字面量和符号引用。在Java中并不要求常量一定只有编译期才能产生，运行期间也可能将新的常量放入池中，例如 String 类的 intern() 方法。

每个运行时常量池都是随着一个类或者接口的创建而创建的。在规范中定义了一种异常场景：

在创建一个类或者接口时，如果运行时的常量池无法分配到足够的空间时，则会抛出 OutOfMemoryError 异常。

本地方法栈

本地方法栈和虚拟机栈类似，也是 线程私有 的，随着一个线程的创建而创建，只不过虚拟机栈是用来服务Java方法调用，而本地方法栈是用来服务本地方法调用的。

在JVM规范中并没有对本地方法栈空间的大小做限制，可以设置为固定大小的，也可以设置为可扩展的。在规范中也定义了两种异常情况：

StackOverflowError
OutOfMemoryError

直接内存 ^*

直接内存不受虚拟机参数的控制，在NIO中有一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer)的I/O方式，它可以通过Native方法在堆外分配内存，然后通过DirectByteBuffer对象来引用这块内存。因为避免了在Java堆和Native堆之间来回复制数据，从而在某些场景中能够得到性能的提升。一旦使用的直接内存超过了物理内存的总和，则会抛出 OutOfMemoryError 异常。

原文 https://codinglife.tech/2019/09/java-virtual-machine-runtime-memory-layout/

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