该系列学习笔记均来自《深入理解Java虚拟机》一书。

概述

程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，可以看作是线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（多核处理器的一个内核）都只会执行一条线程的指令。因此为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储。我们称这类内存区域为『线程私有』的内存。

如果线程正在执行一个Java方法，这个计数器记录的就是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果执行的是一个Native方法，这个计数器值为空（Undefined）。

此内存区域是唯一一个在Java虚拟机中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

虚拟机栈

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的。它的生命周期与线程相同。

虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中的入栈到出栈的过程。

局部变量表

• 存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，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）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。
• 其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用一个。
• 局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法的运行期间不会改变局部变量的大小。

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定2种异常情况：

• 如果线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度，将抛出StackOverflowError异常
• 如果虚拟机栈可以动态扩展，扩展申请时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常

本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈发挥的作用是非常相似的，他们之间的区别：虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。

与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆

Java堆是被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都在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，也被称为『GC堆』。从内存回收的角度看，由于现在收集器基本上都采用分代收集算法，所以java堆还可以细分为：新生代和老年代；在细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。

根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上的连续即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

方法区（Method Area）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，但是它有一个别名叫Non-Heap（非堆），目的就是与Java堆区分开来。

对于习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序的开发者来说，很多人更愿意把方法区成为『永久代』（Permanent Generation)，本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已，这样HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一样管理这部分内存，能够省去单独为方法区编写内存管理代码的工作。在已经发布的JDK1.7的HotSpot中，已经把原本放在永久代的字符串常量池移出。

Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样『永久』存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说，这个区域的内存回收成绩比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是必要的。

根据Java虚拟机规范的规定，方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。

运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、接口等描述信息外，有一项信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载进入方法区的运行时常量池中存放。

既然运行时常量池是方法区的一部分，那么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。

直接内存

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的使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。所以我们放到一起讲。

在Jdk1.4中新加入了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，他可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆中的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内存，因为避免了Java堆和Native堆中来回复制数据。

显然，本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是，既然是内存，肯定还是受到本机总内存（包括RAM以及SWAP区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但是经常忽略直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制（包括物理的和操作系统的限制），从而导致OutOfMemoryError异常。