Java的内存区域划分

1. 概述

Java和C++的一个关键区别就是对内存的控制，C++需要在编码时直接管理内存，需要开发者对内存的知识了如指掌。而Java却将管理内存的权利交给了Java虚拟机（JVM），使得开发人员不需要执行分配/释放内存等操作，提升了开发效率。但是一旦出现问题，很容易让人摸不清头脑，因此，只有掌握了JVM如何管理内存，处理问题才能如鱼得水，这篇文章从最基本的讲起，讲一讲JVM都包含哪些区域。

注：本篇文章为个人学习所用，可能存在不严谨或出错的地方，还请谅解。

2. 运行时区域划分

2.1 整体架构图

本文以JDK1.8版本为例，展开讲解。

2.2 程序计数器

程序计数器所占用的内存空间很小，可以将他看做线程执行字节码的行号指示器，表示当前执行的具体位置，程序执行过程中，通过修改程序计数器的值来指定下一条需要执行的字节码指令，因此程序的顺序执行、循环、跳转、异常执行等功能都是依赖程序计数器完成的。

同时，程序在多线程的情况下，需要在多个线程之间轮流切换，为了实现线程切换回来后还能从原来的位置继续执行，每个线程都会有一个独立的程序计数器，不同线程之间互不影响，因此程序计数器是“线程私有”的。

2.3 Java虚拟机栈

Java虚拟机栈表示Java方法的执行过程，一个方法被执行，会创建一个对应的栈帧被压入栈中，栈帧存储方法执行过程中的信息，包括局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址。当方法执行完成后，对应的栈帧就会被执行出栈操作，一个方法从调用到执行完毕，必然伴随着一个栈帧入栈到出栈的过程。

Java虚拟机栈和结构和数据结构中的栈相似，先进后出的思想，只有入栈和出栈两种操作。

2.4 本地方法栈

本地方法栈和Java虚拟机栈类似，区别只是虚拟机栈为Java方法服务，本地方法栈是为本地方法服务。

2.5 堆

堆是虚拟机管理区域中占用内存最大的一块，堆的核心概念为：Java中“几乎”所有对象都是存在堆中的，由堆来给对象实例分配内存。需要注意的是，这里强调的是“几乎”，因为随着即时编译技术的发展，栈上分配等手段导致出现了新的情况。

堆的唯一作用就是存放对象实例，也就导致堆成为了垃圾回收（GC）的内存区域，因此堆也被称为“GC堆”。

在一些资料中，会将堆做细致的区域划分，出现了“新生代”，“老年代”等概念，其实这种区域划分并不是虚拟机实现的具体布局，而是从垃圾分代回收的角度考虑，这种划分是一部分垃圾收集器的共同特性或设计风格。无论如何，堆的唯一作用就是存放对象实例，将堆做区域划分，唯一的目的是为了更好的回收内存，或更快的分配内存。

2.6 方法区

方法区也是线程共享的，但方法区只是《Java虚拟机规范》规定的一个概念，至于如何实现方法区，不同虚拟机有自己的方式。

方法区的作用是存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。JDK8之前，HotSpot虚拟机使用永久代来实现方法区，在永久代同样采用收集器的分代设计，这样就可以像管理堆一样管理方法区。但是这种方式会导致更容易造成内存溢出的问题，因为永久代是存在上限的，由-XX:MaxPermSize参数控制。到了JDK8，完全废弃了永久代这个概念，改为了元空间实现方法区。

元空间直接占用本地内存，不再受JVM参数的限制，一方面降低了内存溢出的风险，另一方面，元空间的大小由系统的实际空间控制，这样可以加载的类就更多了。

2.7 运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分，Class文件中除了类的版本、字段、方法等描述信息外，还有一项信息是常量池表，用来存储编译器间产生的各种字面量和符号引用，这部分信息会在类加载完成后，存储到运行时常量池中。

2.8 直接内存

JDK1.4 中新加入的 NIO（Non-Blocking I/O，也被称为 New I/O），引入了一种基于通道（Channel）与缓存区（Buffer）的 I/O 方式，它可以直接使用 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。这样就能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在 Java 堆和 Native 堆之间来回复制数据。

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，它分配在本地内存上。他的核心作用是由Java堆中的对象直接操作堆外内存，不需要将其复制到Java堆中，提高了性能。直接内存不回收Java堆大小的限制，会收到本地内存的影响，也有可能出现OOM的情况。

3. 参考