深入理解JAVA虚拟机中说道的一句话，感觉很符合Java和C++程序员在处理内存时的心态：

Java和C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾回收技术所围成的“高墙”，墙外的人想进去，墙里的人想出去

Java运行时数据模型

Java运行时数据模型

程序计数器（Program Counter Register）

​ 程序计数器是一块较小的内存空间，它可以看做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。

​ 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，在任何一个确认的时刻，一个处理器（多核的话，一个内核）都只会执行一条线程中的指令。因此，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。

​ 如果正在执行的是Java方法，则程序计数器指向的是下一条需要执行的字节码指令的地址；如果正在执行的是Native方法，则程序计数器为空（Undefined）。

此区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域

Java虚拟机栈

​ Java虚拟机栈也是线程私有的，生命周期也是和线程挂钩。

​ Java虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型。每个Java方法在执行的同时，都会创建一个栈帧（Stack Frame），用于存储方法的：局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息。 每个方法在从调用知道执行结束的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中的入栈到出栈的过程。

1. 局部变量表：局部变量表存放了编译器可知的各种基本数据类型（boolean, byte,char,short, int , float, long, double）,对象引用（Reference类型）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

   1. 局部变量空间（slot）：在32位系统中，它的大小一般是4个byte，也就是32位。

   只有double和long类型占用2个局部变量空间，其他数据类型都是占用一个slot，在进入一个方法时，这个方法所在的栈帧需要分配多少局部变量空间是确定的，在方法运行期间是不会改变的。

2. 操作数栈：

3. 动态链接

4. 方法出口

在Java虚拟机规范中，对于虚拟机栈规定了两种异常情况：

1. 如果线程申请的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常。
2. 如果虚拟机栈可以动态扩展，如果扩展时无法申请到足够内存，就会抛出OutOverMemoryError异常

本地方法栈

​ 本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用非常类似，只不过虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，本地方法栈是为虚拟机使用到的Native方法服务。

​ 在Java 虚拟机规范中，并没有对Native方法中使用的语言，使用方式和数据结构做强制规定。所以具体的虚拟机可以自由的实现它，甚至有的虚拟机（Sun HotSpot虚拟）直接把本地方法栈与虚拟机栈合二为一。

在Java虚拟机规范中，对于本地方法栈也规定了两种异常情况：

1. 如果线程申请的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常。
2. 如果虚拟机栈可以动态扩展，如果扩展时无法申请到足够内存，就会抛出OutOverMemoryError异常

Java堆（Java Heap）

​ Java堆是虚拟管理的最大的一块内存空间，并且是线程共享的一块内存空间，堆在虚拟机启动时创建，此内存空间唯一的目的就是存放对象实例。几乎所有的对象实例都是在堆上分配内存。Java虚拟机规范中描述的是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配。

​ 但是随着技术的发展，JIT即时编译器的发展以及逃逸分析技术的逐渐成熟：栈上分配，标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化。所有对象在堆上进行分配也逐渐的变得不是那么“绝对”了。

​ 由于Java堆是垃圾收集器管理的主要区域， 因此很多时候Java堆也叫GC堆。

​ 由于现在的垃圾回收器都是使用分代收集算法，所以Java堆还可以细分为：新生代和老年代。在细致一些，可分为：Eden区域，TO Survivor区域和FROM Survivor区域。

​ 根据Java虚拟机规范，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间，只要逻辑上是连续的即可。现在的主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms实现）。

​ 在Java虚拟机规范中，对于Java堆规定了一种异常情况：当堆中没有内存完成对象实例，并且无法在进行扩展时，会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区（Method Area）

​ 方法区与Java堆一样，是各个线程共享的一块内存区域，用于存储已经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。

​ 虽然Java虚拟机规范将方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是他还有另外一个名字：Non-Heap(非堆)

​ Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽泛，除了像Java堆一样不需要连续的物理内存，可以选择固定大小或者可扩展外，甚至还可以选择不实现垃圾回收。垃圾回收行为在这个区域是比较少出现的，但这不意味着这个区域的垃圾回收是不必要的，这块区域进行垃圾回收的目的主要是：1. 针对常量池的回收； 2. 类型的卸载

在Sun公司的BUG列表中，曾出现过若干严重的BUG就是由于低版本的HotSpot虚拟机对此区域未完全回收而导致的内存泄漏

​ 在Java虚拟机规范中，对于方法区规定了一种异常情况：当方法区中无法满足内存分配需求时，会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区 --> 运行时常量池

​ 运行时常量池属于方法区的一部分。

​ 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。这部分内容会在类加载后进入到方法区的运行时常量池中存放。

​ Java虚拟机规范并没有对运行时常量池做任何细节上的要求

​ 运行时常量池相对于Class文件中的常量池的另外一个重要特征就是动态。Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，运行时也可以将新的变量放入池中。比如String.intern()方法。

​ 由于运行时常量池属于方法区，自然受到方法区内存的限制，当运行时常量池无法在申请到内存时，将抛出OutOfMemoryError异常。

直接内存（Dirct Memory）

​ 直接内存并不属于Java内存模型，不是JVM运行时数据区的一部分，它会被频繁调用是因为在1.4版本引入的NIO(New Input/Output)类，引入了一种基于通道（Channel）和缓存（Buffer）的I/O方式。

​ 它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个储存在堆上的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样做，能显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

​ 显然，直接内存的分配不受Java堆大小的限制，但是会受本机总内存（包括RAM以及SWAP区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制。

​ 直接内存出现OutOfMemoryError的原因是对该区域进行内存分配时，其内存与其他内存加起来超过最大物理内存限制（包括物理的和操作系统级的限制），从而导致OutOfMemoryError。另外，若我们通过参数“-XX:MaxDirectMemorySize”指定了直接内存的最大值，其超过指定的最大值时，也会抛出内存溢出异常。

总结

​ 这篇文章主要是介绍Java虚拟机运行时数据区中的分区，并介绍了每个区的概念，主要储存什么数据，异常情况。

​ 理解Java虚拟机运行时数据区，可以有效的帮助我们了解虚拟机是如果使用内存的，对排查错误，快速定位问题很有帮助。