要点提炼| 理解JVM之内存管理
本系列专题的第二个板块“理解JVM”是对周志明老师的《深入理解Java虚拟机》著作的学习和扩展，也是在春招过程中发现自己Java基础的不足，特意精选了几个重要知识点进行总结。现在先从非常重要的内存管理开始吧~
本篇将了解JVM内存是如何划分的，以及每个区域的具体内容。
- 概述
- JVM内存区域划分
- 操作系统内存与JVM内存
1.概述
Java与C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾回收机制所围成的高墙，墙外面的人想进去，墙里面的人出不来。
必要性：虽然JVM有自动内存管理机制，不需要人为地给每一个new操作写配对的delete/free代码，不容易出现内存泄漏和内存溢出问题。然而一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题，如果不清楚JVM内存的内存管理机制，那么将很难定位与解决问题。
2.JVM内存区域划分
JVM执行Java程序的过程：Java源代码文件(.java)会被Java编译器编译为字节码文件(.class)，然后由JVM中的类加载器加载各个类的字节码文件，加载完毕之后，交由JVM执行引擎执行。
在上述过程中，JVM会用一段空间来存储执行程序期间需要用到的数据和相关信息，这段空间就是运行时数据区（Runtime Data Area），也就是常说的JVM内存。JVM会将它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域，划分结果如图：
可见，运行时数据区被分为线程私有数据区和线程共享数据区两大类：
- 线程私有数据区包含：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈
- 线程共享数据区包含：Java堆、方法区（内部包含常量池）
接下来分别介绍：
a.程序计数器（Program Counter Register）
- 是当前线程所执行的字节码的行号指示器。
- 如果线程正在执行的是一个Java方法，那么计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；
- 如果线程正在执行的是一个Native方法，那么计数器的值则为空。
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。
- 为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有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，因此它是线程私有的内存。
- 在Java虚拟机规范中，是唯一一个没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。
b.Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）
- 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，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、对象引用类型和returnAddress类型，它所需的内存空间在编译期间完成分配。
- 是线程私有的内存，与线程生命周期相同。
- 一般把Java内存区分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），其中『栈』指的是虚拟机栈，『堆』指的是Java堆。
- 在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：
- 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；
- 如果虚拟机栈可动态扩展且扩展时无法申请到足够的内存，将抛出OutOfMemoryError异常。
c.本地方法栈（Native Method Stack）
- 是虚拟机使用到的Native方法服务。
- 在虚拟机规范中，对这个区域无强制规定，由具体的虚拟机自由实现。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。
d.Java堆（Java Heap）
- 用于存放几乎所有的对象实例和数组。
- 被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。
在Java堆中，可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），但无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。
- 是垃圾收集器管理的主要区域，也被称做“GC堆”。
- 是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。
- 在Java虚拟机规范中，如果在堆中没有内存完成实例分配，且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。
e.方法区（Method Area）
- 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。
- 与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域。
- 人们更愿意把这个区域称为“永久代”（Permanent Generation），在发布的JDK1.7的HotSpot中，已经把原本放在永久代的字符串常量池移出。它还有个别名叫做Non-Heap（非堆）。
- 在Java虚拟机规范中，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。
f.运行时常量池（Runtime Constant Pool）
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（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后进入方法区的运行时常量池中存放。
- 相对于Class文件常量池的重要特征是具备动态性，体现在并非只有预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中。
- 是方法区的一部分，会受到方法区内存的限制。
- 在Java虚拟机规范中，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。
推荐阅读：JVM内存溢出详解（栈溢出，堆溢出，持久代溢出、无法创建本地线程）
3.操作系统内存与JVM内存
从上图可见操作系统内存和JVM内存的联系：
操作系统分为栈和堆：
- 栈由操作系统管理，并由操作系统自动回收。
- JVM本地方法栈使用的是操作系统的栈。
- 堆由用户分配使用。
- 除JVM本地方法栈以外的JVM内存使用的操作系统的堆，以防JVM分配的内存被操作系统回收。
图片来源：JVM内存管理—运行时内存区域
下篇将介绍和内存管理紧密相关的垃圾回收机制。
