Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途,以及创建和销毁的时间,有的区域随着虚拟机进程的启动而存在,有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

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图1 Java虚拟机运行时数据区

程序计数器:

程序计数器可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器,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。
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,为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每条线程都要有一个独立的程序计数器。

如果线程执行的是一个Java方法,这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令地址;如果执行的是Native方法,这个计数器的值为空(Underfined)。

特点:线程私有,较小的内存空间。
异常状况:无 (Java虚拟机规范中唯一一个没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域)。

Java虚拟机栈:

虚拟机执行Java方法时的内存模型:每个方法在执行的同时会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用到执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

局部变量表:存放了编译期可知的各种基本的数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(指向对象起始地址的引用指针,或者指向代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置)、returnAddress类型(指向一条字节码指令地址)。
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,这个方法需要的在桢中分配多大的局部变量空间是完全确定的,在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

特点:线程私有,生命周期与线程相同。
异常状况:

  • 线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度,抛出StackOverflowError异常
  • 虚拟机动态扩展时,如果无法申请到足够的内存,抛出OutOfMemoryError异常

本地方法栈:

和虚拟机栈类似,区别是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务,本地方法栈为虚拟机执行Native方法服务。有的虚拟机将两者合二为一,如Sun HotSpot虚拟机。

Java堆:

在虚拟机启动时创建,存放对象实例的内存区域。

特点:

  • 所有线程共享
  • Java虚拟机管理的内存中最大的一块
  • 垃圾收集器管理的主要区域
  • 可以处于物理上不连续的内存空间中(逻辑上一致)
  • 堆容量可以动态扩展。

异常状况:如果堆中没有内存空间完成实例分配,并且堆也无法再扩展时,抛出OutOfMemoryError异常

方法区:

和Java堆类似,用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即使编译器编译后的代码等数据。

特点:线程共享,垃圾回收行为较少出现。
异常状况:当方法区无法满足内存分配需求时,抛出OutOfMemoryError异常。

运行时常量池:

是方法区的一部分,Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有一项信息是常量池,用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用,这部分信息在类加载后进入方法区的运行时常量池存放。

特点:具有动态性,运行期间也可以将新的常量放入常量池中。
异常状况:当常量池无法满足内存分配需求时,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地使用,而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。

JDK1.4加的NIO中,ByteBuffer有个方法是allocateDirect(int capacity) ,这是一种基于通道(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。

异常状况:服务器管理员配置虚拟机参数时,一般会根据实际内存设置-Xmx等参数信息,但经常会忽略掉直接内存,使得各个内存区域的总和大于物理内存限制(包括物理上的和操作系统级的限制),从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。