深入理解JVM（二）：Java記憶體區域
執行時資料區域
Java虛擬機器在執行Java程式的過程中會把它所管理的記憶體劃分為若干個不同的資料區域。這些區域都有各自的用途，以及建立和銷燬的時間，有的區域隨著虛擬機器程序的啟動而存在，有些區域則依賴使用者執行緒的啟動和結束而建立和銷燬。根據《Java虛擬機器規範（Java SE 7版）》的規定，Java虛擬機器所管理的記憶體將會包含以下幾個執行時資料區域:程式計數器、Java虛擬機器棧、本地方法棧、Java堆、方法區。
程式計數器
程式計數器是一塊比較小的記憶體空間，它可以看作是當前執行緒執行的位元組碼的行號指示器。在虛擬機器的概念模型裡（僅是概念模型，各種虛擬機器可能會通過一些高效的方式去實現），位元組碼直譯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位元組碼指令，分支、迴圈、跳轉、異常處理、執行緒恢復等基礎功能都需要依賴這個計數器來完成。
由於Java虛擬機器的多執行緒是通過執行緒輪流切換並分配處理器執行時間的方式來實現的，在任何一個確定的時刻，一個處理器（對於多核處理器來說）都只會執行一條執行緒中的質量。因此，為了執行緒切換後能恢復到正確的執行位置，每條執行緒都需要一個獨立的程式計數器，各條執行緒之間計數器互不影響，獨立儲存，我們稱這類記憶體區域為“執行緒私有”的記憶體。
如果執行緒正在執行一個Java方法，這個計數器記錄的是正在執行的虛擬機器位元組碼指令的地址；如果正在執行的是Native方式，這個計數器值則為空。此記憶體區域是唯一一個在Java虛擬機器規範中沒有規定任何OutOfMemoryError情況的區域。
Java虛擬機器棧
與程式計數器一樣，Java虛擬機器棧也是執行緒私有的，它的生命週期與執行緒相同。虛擬機器描述的Java方法執行的記憶體模型：每個方法執行時，都會建立一個棧幀用於儲存區域性變量表、運算元棧、動態連結、方法出口等資訊。每個方法從呼叫直至執行完成的過程對應著一個棧幀在虛擬機器棧的入棧到出棧的過程。
區域性變量表存放了編譯期可知的各種基本資料型別（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、物件引用（reference型別，它不等同於物件本身，可能是一個指向物件起始地址的引用指標）和returnAddress型別（指向一條位元組碼指令的地址）。
其中64位長度的long和double型別的資料會佔用2個區域性變數空間，其餘資料型別只佔一個。區域性變量表所需的記憶體空間在編譯期間完成分配，當進入一個人方法時，這個方法需要在幀中分配多大的區域性變數空間是完全確定的，在方法執行期間不會改變區域性變量表的大小。
在Java虛擬機器規範中，對這個區域規定了兩種異常的狀況；如果執行緒請求的棧深度大於虛擬機器所允許的深度，將丟擲Stack OverflowError異常；如果虛擬機器可以動態擴充套件（當前大部分的Java虛擬機器都可以動態擴充套件，只不過Java虛擬機器規範中也允許固定長度的虛擬機器棧），如果擴充套件時無法申請到足夠的記憶體，就會丟擲OutOfMemoryError異常。
本地方法棧
本地方法棧（Native Method Stack）與虛擬機器棧所發揮的作用是非常相似的，它們之間的區別不過是虛擬機器棧為虛擬機器執行Java方法（也就是位元組碼）服務，而本地方法棧則為虛擬機器所使用到的Native方法服務。在虛擬機器規範中對本地方法棧中方法使用的語言、使用方式與資料結構並沒有強制規定，因此具體的虛擬機器可以自由的實現它。甚至有的虛擬機器直接將本地方法棧和虛擬機器棧合二為一。與虛擬機器棧一樣，本地方法區域也會丟擲Stack OverflowError和OutOfMemoryError異常。
Java堆
對於大多數應用來說，Java堆是Java虛擬機器所管理的記憶體中最大的一塊。Java堆是被所有的執行緒共享的一塊記憶體區域，在虛擬機器啟動時建立。此記憶體區域的唯一目的就是存放物件例項，幾乎所有的物件例項都在這裡分配記憶體。這點在Java虛擬機器規範中的描述是：
所有的物件例項以及陣列都要在堆上分配，但隨著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，所有的物件分配在堆上也漸漸變得不是那麼“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）。從記憶體回收的角度來看，由於現在收集器都採用分代收集演算法，所以Java堆中還可以細分為：新生代和老年代；再細緻一點的有Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間等。從記憶體分配的角度來看，執行緒共享的Java堆中可能劃分出多個執行緒私有的分配緩衝區（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，儲存的都仍然是物件的例項，進一步劃分的目的是為了更好的回收記憶體，或者更快的分配記憶體。
根據Java虛擬機器規範的規定，Java堆可以處於物理上不連續的記憶體空間中，需要邏輯上使連續的即可，就像我們的磁碟空間一樣。在實現時，既可以實現成固定大小的，也可以是擴充套件的，不過當前的主流虛擬機器都是可以按照可擴充套件來實現的（通過-Xmx和-Xms控制）。如果在堆中沒有記憶體完成例項分配，並且堆也無法再擴充套件時，將會丟擲OutOfMemoryError異常。
方法區
方法區與Java堆一樣，是各個執行緒共享的記憶體區域，它用於儲存已被虛擬機器載入的類資訊、常量、靜態變數，即時編譯器編譯後的程式碼資料。雖然Java虛擬機器規範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作Non-Heap，目的是與Java堆區分開。
Java虛擬機器規範對方法區的限制非常寬鬆，除了和Java堆一樣不需要連續的記憶體和可以選擇固定大小或者可擴充套件外，還可以選擇不實現垃圾收集。相對而言，垃圾收集行為在這個區域是比較少出現的，但並非資料進入了方法區就如永久代的名字一樣“永久”存在了。這區域的記憶體回收目標主要是針對常量池的回收和對型別的解除安裝，一般來說，這個區域的回收“成績”比較難以令人滿意，尤其是型別的解除安裝，條件相當苛刻，但是這一部分割槽域的回收確實是必要的。
方法區存放的資訊包括：
類的基本資訊：
1.每個類的全限定名
2.每個類的直接超類的全限定名(可約束型別轉換)
3.該類是類還是介面
4.該型別的訪問修飾符
5.直接超介面的全限定名的有序列表
已裝載類的詳細資訊
- 執行時常量池：在方法區中，每個型別都對應一個常量池，存放該型別所用到的所有常量，常量池中儲存了諸如文字字串、final變數值、類名和方法名常量。
- 欄位資訊：欄位資訊存放類中宣告的每一個欄位的資訊，包括欄位的名、型別、修飾符。
- 方法資訊：類中宣告的每一個方法的資訊，包括方法名、返回值型別、引數型別、修飾符、異常、方法的位元組碼。
(在編譯的時候，就已經將方法的區域性變數、運算元棧大小等確定並存放在位元組碼中，在裝載的時候，隨著類一起裝入方法區。) - 靜態變數：類變數，類的所有例項都共享，我們只需知道，在方法區有個靜態區，靜態區專門存放靜態變數和靜態塊。
- 到類classloader的引用：到該類的類裝載器的引用。
- 到類class 的引用：虛擬機器為每一個被裝載的型別建立一個class例項，用來代表這個被裝載的類。
根據Java虛擬機器規範的規定，當方法區無法滿足記憶體分配需求時，將丟擲OutOfMemoryError異常。
還有兩個特別的區域
執行時常量池：
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，用於存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分內容將在類載入後進入方法區的執行時常量池中存放。
執行時常量池相對於Class檔案常量池的另外一個重要的特徵是具備動態性，Java語言並不要求常量一定只有編譯期才能產生，也就是並非預置入Class檔案中常量池的內容才能進入方法區執行時常量池，執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的比較多的便是String類的intern()方法。
既然執行時常量池有也是方法區的一部分，自然受到方法區記憶體的限制，當常量池無法再申請到記憶體時，會丟擲OutOfMemoryError異常。
直接記憶體
直接記憶體並不是虛擬機器執行時的資料區的一部分，也不是Java虛擬機器規範中定義的記憶體區域。但是這部分記憶體也被頻繁的使用，而且也可能導致OutOfMemoryError異常出現。
在JDK1.4中新加入了NIO(New Input/Output)類，引入了一種基於通道（Channel）與快取區（Buffer）的IO方式，它可以使用Native函式庫直接分配堆外記憶體，然後通過一個儲存在Java堆中的DirectByteBuffer物件作為這塊記憶體的引用進行操作。這樣能在一些場景中顯著提高效能，因為避免了在Java堆和Native堆中來回複製資料。
Java如果和外界通訊，把Java堆中的內容輸出到外界，則需要把Java堆複製到非Java堆，如果使用native堆，則避免了內容在Java堆和非Java堆之間的copy。非Java堆的回收不受gc的影響，需要手動進行回收。一般作為快取使用，如DirectByteBuffer。
顯然，本機直接記憶體分配不會受到Java堆大小的限制，但是，既然是記憶體，肯定還是會受到本機記憶體（包括RAM以及SWAP區或者分頁檔案）大小以及處理器定址空間的限制。伺服器管理員在配置虛擬機器引數時，會根據實際記憶體設定-Xmx等引數資訊，但是經常忽略直接，使得各個記憶體區域總和大於實體記憶體限制，從而導致動態擴充套件時出現OutOfMemoryError異常。