運行時數據區域

Java 虛擬機在執行 Java 程序的過程中會把它所管理的內存劃分為若干個不同的數據區域。這些區域都有各自的用途，以及創建和銷毀時間。以下是 Java 虛擬機所管理的內存區域：

程序計數器

程序計數器 (Program Counter Register) 是一塊較小的內存空間，它可以看作時當前線程所執行的字節碼的行號指示器。在虛擬機的概念模型里，字節碼解釋器工作時就是通過改變這個計數器的值來選取下一條需要執行的字節碼指令，分支，跳轉，異常處理，線程恢復等基礎功能都需要這個計數器來完成。

在任何一個確定的時刻，一個處理器都只會執行一條線程中的指令。因此為了線程切換后能夠恢復到正確的執行位置，每條線程都需要有一個獨立的線程計數器，各線程之間計數器互不影響，獨立存儲，我們稱這類內存區域為 “線程私有”內存**。

如果線程正在執行的是一個 Java 方法，這個計數器記錄的是 正在執行的虛擬機字節碼指令的地址。 此內存區域也是唯一一個在 Java 虛擬機規范中沒有規定任何 OutOfMemorryError 情況的區域。

Java 虛擬機棧

與程序計數器一樣，Java 虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）也是線程私有的，它的生命周期與線程相同。 虛擬機棧描述的是 Java 方法執行的內存模型：每個方法被執行的時候都會同時創建一個棧幀（Stack Frame）用于存儲局部變量表、操作棧、動態鏈接、方法出口等信息。每一個方法被調用直至執行完成的過程，就對應著一個棧幀在虛擬機棧中從入棧到出棧的過程。

局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數據類型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、對象引用（reference 類型），它不等同于對象本身，根據不同的虛擬機實現，它可能是一個指向對象起始地址的引用指針，也可能指向一個代表對象的句柄或者其他與此對象相關的位置）和 returnAddress 類型（指向了一條字節碼指令的地址）*。

在 Java 虛擬機規范中，對這個區域規定了兩種異常狀況：如果線程請求的棧深度大于虛擬機所允許的深度，將拋出 StackOverflowError 異常；如果虛擬機棧可以動態擴展（當前大部分的 Java 虛擬機都可動態擴展，只不過 Java 虛擬機規范中也允許固定長度的虛擬機棧），當擴展時無法申請到足夠的內存時會拋出 OutOfMemoryError 異常。

本地方法棧

本地方法棧（Native Method Stacks）與虛擬機棧所發揮的作用是非常相似的，其區別不過是虛擬機棧為虛擬機執行 Java 方法（也就是字節碼）服務，而本地方法棧則是為虛擬機使用到的 Native 方法服務。虛擬機規范中對本地方法棧中的方法使用的語言、使用方式與數據結構并沒有強制規定，因此具體的虛擬機可以自由實現它。甚至有的虛擬機（譬如 Sun HotSpot 虛擬機）直接就把本地方法棧和虛擬機棧合二為一。與虛擬機棧一樣，本地方法棧區域也會拋出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 異常。

Java 堆

對于大多數應用來說，Java 堆（Java Heap）是 Java 虛擬機所管理的內存中最大的一塊。Java 堆是被所有線程共享的一塊內存區域，在虛擬機啟動時創建。此內存區域的唯一目的就是存放對象實例，幾乎所有的對象實例都在這里分配內存。 這一點在 Java 虛擬機規范中的描述是：所有的對象實例以及數組都要在堆上分配，但是隨著 JIT 編譯器的發展與逃逸分析技術的逐漸成熟，棧上分配、標量替換優化技術將會導致一些微妙的變化發生，所有的對象都分配在堆上也漸漸變得不是那么“絕對”了。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要區域，因此很多時候也被稱做“GC 堆”（Garbage Collected Heap，幸好國內沒翻譯成“垃圾堆”）。 如果從內存回收的角度看，由于現在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以 Java 堆中還可以細分為：新生代和老年代；再細致一點的有 Eden 空間、From Survivor 空間、To Survivor 空間等。如果從內存分配的角度看，線程共享的 Java 堆中可能劃分出多個線程私有的分配緩沖區（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。 不過，無論如何劃分，都與存放內容無關，無論哪個區域，存儲的都仍然是對象實例，進一步劃分的目的是為了更好地回收內存，或者更快地分配內存。

據 Java 虛擬機規范的規定，Java 堆可以處于物理上不連續的內存空間中，只要邏輯上是連續的即可，就像我們的磁盤空間一樣。在實現時，既可以實現成固定大小的，也可以是可擴展的，不過當前主流的虛擬機都是按照可擴展來實現的（通過-Xmx 和-Xms 控制）。如果在堆中沒有內存完成實例分配，并且堆也無法再擴展時，將會拋出 OutOfMemoryError 異常。

方法區 (注：jdk1.8 之后永久代被移出方法區)：

方法區（Method Area）與 Java 堆一樣，是各個線程共享的內存區域。 雖然 Java 虛擬機規范把方法區描述為堆的一個邏輯部分，但是它卻有一個別名叫做 Non-Heap（非堆），目的應該是與 Java 堆區分開來。 根據 Java 虛擬機規范的規定，當方法區無法滿足內存分配需求時，將拋出 OutOfMemoryError 異常。

在 jdk1.8 之后永久代被移除了方法區，多了一個元空間 (Metaspace)，元空間的本質和永久代類似，都是對 JVM 規范中方法區的實現。不過元空間與永久代之間最大的區別在于：元空間并不在虛擬機中，而是使用本地內存。原先永久代中類的元信息會被放入本地內存（元數據區，metaspace），將類的靜態變量和內部字符串放入到 java 堆中。

有關永久代和元數據具體的介紹請看這位朋友寫的博文：傳送門~

運行時常量池：

運行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區的一部分。Class 文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，還有一項信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，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。

Java 虛擬機對 Class 文件的每一部分（自然也包括常量池）的格式都有嚴格的規定，每一個字節用于存儲哪種數據都必須符合規范上的要求，這樣才會被虛擬機認可、裝載和執行。但對于運行時常量池，Java 虛擬機規范沒有做任何細節的要求，不同的提供商實現的虛擬機可以按照自己的需要來實現這個內存區域。不過，一般來說，除了保存 Class 文件中描述的符號引用外，還會把翻譯出來的直接引用也存儲在運行時常量池中。

運行時常量池相對于 Class 文件常量池的另外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 文件中常量池的內容才能進入方法區運行時常量池，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得比較多的便是 String 類的 intern() 方法。 既然運行時常量池是方法區的一部分，自然會受到方法區內存的限制，當常量池無法再申請到內存時會拋出 OutOfMemoryError 異常。

直接內存

直接內存 (Direct Memory) 并不是虛擬機運行時數據區的一部分，也不是 Java 虛擬機規范中定義的內存區域。但是這部分內存也被頻繁使用，而且也可能導致 OutOfMemoryError。
在 JDK1.4 中新加入了 NIO(New Input/Output) 類，引入了一種基于通道 (Channel) 與緩沖區 (Buffer) 的 I/O 方式，可以使用 Native 函數庫直接分配堆外內存，然后通過一個存儲在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 對象作為這塊內存的引用來操作。這樣操作在一些場景中可以顯著提高性能，因為避免了在 Java 堆與 Native 堆中來回復制數據。

參考書籍：
《深入理解 Java 虛擬機》 周志明 著

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Java 运行时数据区域的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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