一、 JVM 運行時資料區

不同虛擬機的運行時資料區可能略微有所不同，但都會遵從 Java 虛擬機規范， Java 虛擬機規范規定的區域分為以下 5 個部分：

1.1 程式計數器（執行緒私有）

程式計數器（Program CounterRegister）是一塊較小的記憶體，占用記憶體大小可以忽略不計，它可以看做是當前執行緒所執行位元組碼的行號指示器，在虛擬機的概念模型里位元組碼解釋器作業時就是通過改變這個計數器的值來選擇下一跳需要執行的位元組碼指令，分支、回圈、跳轉、例外處理、執行緒恢復等基礎功能都需要依賴這個計數器來完成，

由于Java虛擬機的多執行緒是通過執行緒輪流切換并分配處理器執行時間來實作的，在任何一個確定的時刻，一個處理器（對于多核處理器來說就是一個內核）都只會執行一個執行緒中的指令，因此，為了執行緒切換后能恢復到正確的執行位置，每個執行緒都需要有一個單獨的程式計數器，各執行緒之間計數器互不影響，獨立存盤，這類記憶體區域可以稱為“執行緒私有”的記憶體，

如果執行緒正在執行的是一個Java方法，這個計數器記錄的是虛擬機位元組碼指令的地址，如果正在執行的是Native方法，這個計數器的值為空（undefined），此記憶體區域是唯一 一個在Java虛擬機規范中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域，

1.2 虛擬機堆疊（執行緒私有）

虛擬機堆疊（Java Virtual Machine Stacks）是一個執行緒執行的區域，保存著一個執行緒中方法的呼叫狀態，換句話說，一個Java執行緒的運行狀態，由一個虛擬機堆疊來保存，所以虛擬機堆疊肯定是執行緒私有的，隨著執行緒的創建而創建，每個方法被執行的時候都會同時創建一個堆疊幀，堆疊幀是用于支持虛擬機進行方法呼叫和方法執行的資料結構，即每個方法對應一個堆疊幀，呼叫一個方法，就會向堆疊中壓入一個堆疊幀；一個方法呼叫完成，就會把該堆疊幀從堆疊中彈出，對于執行引擎來講，活動執行緒中，只有堆疊頂的堆疊幀是有效的，稱為當前堆疊幀，這個堆疊幀所關聯的方法稱為當前方法，執行引擎所運行的所有位元組碼指令都只針對當前堆疊幀進行操作，

在Java虛擬機規范中，對這個區域規定了兩種例外情況：

• 如果執行緒請求的堆疊深度大于虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverflowError例外，
• 如果虛擬機在動態擴展堆疊時無法申請到足夠的記憶體空間，則拋出OutOfMemoryError例外，

這兩種情況存在著一些互相重疊的地方：當堆疊空間無法繼續分配時，到底是記憶體太小，還是已使用的堆疊空間太大，其本質上只是對同一件事情的兩種描述而已，在單執行緒的操作中，無論是由于堆疊幀太大，還是虛擬機堆疊空間太小，當堆疊空間無法分配時，虛擬機拋出的都是StackOverflowError例外，而不會得到OutOfMemoryError例外，而在多執行緒環境下，則會拋出OutOfMemoryError例外，

1.2.1 堆疊幀

每個堆疊幀對應一個被呼叫的方法，可以理解為一個方法的運行空間，每個堆疊幀中包括區域變數表(Local Variables)、運算元堆疊(Operand Stack)、指向運行時常量池的參考(A reference to the run-time constant pool)、方法回傳地址(Return Address)和附加資訊，在編譯程式代碼時，堆疊幀中需要多大的區域變數表、多深的運算元堆疊都已經完全確定了，并且寫入了方法表的Code屬性之中，因此，一個堆疊幀需要分配多少記憶體，不會受到程式運行期變數資料的影響，而僅僅取決于具體的虛擬機實作，

• 區域變數表
  方法中定義的區域變數以及方法的引數存放在這張表中，區域變數表中的變數不可直接使用，如需要使用的話，必須通過相關指令將其加載至運算元堆疊中作為運算元使用，

• 運算元堆疊
  當一個方法開始執行時，它的操作堆疊是空的，在方法的執行程序中，會有各種位元組碼指令（比如：加操作、賦值元算等）向操作堆疊中寫入和提取內容，也就是入堆疊和出堆疊操作，

• 動態鏈接
  每個堆疊幀都包含一個指向運行時常量池（在方法區中，后面介紹）中該堆疊幀所屬方法的參考，持有這個參考是為了支持方法呼叫程序中的動態連接，Class檔案的常量池中存在有大量的符號參考，位元組碼中的方法呼叫指令就以常量池中指向方法的符號參考為引數，這些符號參考，一部分會在類加載階段或第一次使用的時候轉化為直接參考（如final、static域等），稱為靜態決議，另一部分將在每一次的運行期間轉化為直接參考，這部分稱為動態連接，

• 方法回傳地址
  當一個方法被執行后，有兩種方式退出該方法：執行引擎遇到了任意一個方法回傳的位元組碼指令或遇到了例外，并且該例外沒有在方法體內得到處理，無論采用何種退出方式，在方法退出之后，都需要回傳到方法被呼叫的位置，程式才能繼續執行，方法回傳時可能需要在堆疊幀中保存一些資訊，用來幫助恢復它的上層方法的執行狀態，一般來說，方法正常退出時，呼叫者的PC計數器的值就可以作為回傳地址，堆疊幀中很可能保存了這個計數器值，而方法例外退出時，回傳地址是要通過例外處理器來確定的，堆疊幀中一般不會保存這部分資訊，
  
  

方法退出的程序實際上等同于把當前堆疊幀出堆疊，因此退出時可能執行的操作有：恢復上層方法的區域變數表和運算元堆疊，如果有回傳值，則把它壓入呼叫者堆疊幀的運算元堆疊中，調整PC計數器的值以指向方法呼叫指令后面的一條指令，

1.3 本地方法堆疊（執行緒私有）

本地方法堆疊（Native Method Stack）與虛擬機堆疊的作用是一樣的，只不過虛擬機堆疊是服務 Java 方法的，而本地方法堆疊是為虛擬機呼叫 Native 方法服務的；

1.4 Java 堆 (執行緒共享)

Java Heap是Java虛擬機所管理的記憶體中最大的一塊，它是所有執行緒共享的一塊記憶體區域，幾乎所有的物件實體和陣列都在這類分配記憶體，Java Heap是垃圾收集器管理的主要區域，因此很多時候也被稱為“GC堆”，內部會劃分出多個執行緒私有的分配緩沖區(Thread Local Allocation Buffer, TLAB)，可以位于物理上不連續的空間，但是邏輯上要連續，

根據Java虛擬機規范的規定，Java堆可以處在物理上不連續的記憶體空間中，只要邏輯上是連續的即可，如果在堆中沒有記憶體可分配時，并且堆也無法擴展時，將會拋出OutOfMemoryError例外，

堆空間分為老年代和年輕代，剛創建的物件存放在年輕代，而老年代中存放生命周期長久的實體物件，年輕代中又被分為Eden區和兩個Survivor區(From Space和To Space)，新的物件分配首先是放在Eden區，Survivor區作為Eden區和Old區的緩沖，在Survivor區的物件經歷若干次GC仍然存活的，就會被轉移到老年代，當一個物件大于eden區而小于old區（老年代）的時候會直接扔到old區， 而當物件大于old區時，會直接拋出OutOfMemoryError（OOM），

堆默認大小為本機記憶體的1/4,如本機記憶體為8G，則堆空間大小默認為2G


Java堆的記憶體劃分如圖所示，分別為年輕代、Old Memory（老年代）、Perm（永久代），其中在Jdk1.8中，永久代被移除，使用MetaSpace（元空間）代替，

新生代使用復制清除演算法（Copinng演算法）,老年代采用標記-整理演算法（mark-compact），

Eden記憶體不足時，發生一次minor GC，會把Survivor 0 和 Eden的物件復制到Survivor 1，這次的Survivor 1就變成了下次的Survivor 0，經過多次minor GC，默認15次，達到次數的物件會從Survivor進入老年代，new出來的物件如果新生代裝不下，則直接進入老年代，

1.5 方法區 (執行緒共享)

方法區（Methed Area）（HotSpotVM中稱為 永久代）是各個執行緒共享的記憶體區域，在虛擬機啟動時創建，雖然Java虛擬機規范把方法區描述為堆的一個邏輯部分，但是它卻又一個別名叫做Non-Heap(非堆)，目的是與Java堆區分開來，方法區域又被稱為“永久代”，但這僅僅對于Sun HotSpot來講，JRockit和IBM J9虛擬機中并不存在永久代的概念，用于存盤已被虛擬機加載的類資訊、常量、靜態變數、即時編譯器編譯后的代碼等資料，相對而言，垃圾收集行為在這個區域比較少出現，該區域的記憶體回收目標主要針是對廢棄常量的和無用類的回收，運行時常量池是方法區的一部分，Class檔案中除了有類的版本、欄位、方法、介面等描述資訊外，還有一項資訊是常量池（Class檔案常量池），用于存放編譯器生成的各種字面量和符號參考，這部分內容將在類加載后存放到方法區的運行時常量池中，運行時常量池相對于Class檔案常量池的另一個重要特征是具備動態性，Java語言并不要求常量一定只能在編譯期產生，也就是并非預置入Class檔案中的常量池的內容才能進入方法區的運行時常量池，運行期間也可能將新的常量放入池中，這種特性被開發人員利用比較多的是String類的intern（）方法，

根據Java虛擬機規范的規定，當方法區無法滿足記憶體分配需求時，將拋出OutOfMemoryError例外，

jdk8移除了PermGen，取而代之的是MetaSpace元空間（Metaspace）使用本地記憶體，靜態變數(參考和變數物件物體都在堆空間)和StringTable放在對空間中，MetaSpace直接申請在本地記憶體中（Native memory）,這樣類的元資料分配只受本地記憶體大小的限制,OOM問題就不存在了

1.6 直接記憶體

直接記憶體并不是虛擬機運行時資料區的一部分，也不是Java虛擬機規范中定義的記憶體區域，它直接從作業系統中分配，因此不受Java堆大小的限制，但是會受到本機總記憶體的大小及處理器尋址空間的限制，因此它也可能導致OutOfMemoryError例外出現，在JDK1.4中新引入了NIO機制，它是一種基于通道與緩沖區的新I/O方式，可以直接從作業系統中分配直接記憶體，即在堆外分配記憶體，這樣能在一些場景中提高性能，因為避免了在Java堆和Native堆中來回復制資料，