一、 前言

對於Java程式設計師來說，在虛擬機器自動記憶體管理機制的幫助下，不再需要像C/C++那樣為每一個new操作去寫配對的delete/free程式碼，不容易出現記憶體洩漏和記憶體溢位問題。

由虛擬機器管理記憶體雖然方便了程式設計師，不過，一旦出現這方面的問題，我們也必須學會如何排查錯誤，因此我們必須瞭解虛擬機器的記憶體結構與工作過程以及其如何使用記憶體。

本文主要介紹Java虛擬機器的執行時資料區域，從概念上介紹Java虛擬機器記憶體的各個區域及作用。

二、執行時資料區域

JVM記憶體結構：

1、程式計數器

（1） 程式計數器（Program Counter Register）是一塊較小的記憶體空間，它可以看作是當前執行緒所執行的位元組碼的行號指示器。

（2）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。

（3）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是一個核心）都只會執行一條執行緒中的指令。因此，為了執行緒切換後能恢復到正確的執行位置，每條執行緒都需要有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。

（4）如果執行緒正在執行的是一個Java方法，這個計數器記錄的是正在執行的虛擬機器位元組碼指令的地址；如果正在執行的是Native方法，這個計數器值則為空（Undefined）。

（5）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。

2、Java虛擬機器棧

（1）與程式計數器一樣，Java虛擬機器棧（Java Virtual Machine Stacks）也是執行緒私有的，它的生命週期與執行緒相同。

（2）虛擬機器棧描述的是Java方法執行的記憶體模型：每個方法在執行的同時都會建立一個棧幀（Stack Frame [1] ）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。每一個方法從呼叫直至執行完成的過程，就對應著一個棧幀在虛擬機器棧中入棧到出棧的過程。

（3）在Java虛擬機器規範中，對這個區域規定了兩種異常狀況：

• 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StackOverflowError異常；
• 如果虛擬機器棧可以動態擴充套件（當前大部分的Java虛擬機器都可動態擴充套件，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。

3、本地方法棧

（1）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使用到的Native方法服務。

（2）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實現它。甚至有的虛擬機器（譬如
Sun HotSpot虛擬機器）直接就把本地方法棧和虛擬機器棧合二為一。

（3）與虛擬機器棧一樣，本地方法棧區域也會丟擲StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

4、堆

Java堆是被所有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。（是垃圾收集的主要物件）
現在的垃圾收集器基本都是採用分代收集演算法，其主要的思想是針對不同型別的物件採取不同的垃圾回收演算法，可以將堆分成兩塊：

• 新生代（Young Generation）
• 老年代（Old Generation）
  （再細分可分為Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間等）
  堆不需要連續記憶體（物理上可以不連續，邏輯上須連續），並且可以動態增加其記憶體，增加失敗會丟擲 OutOfMemoryError 異常。

可以通過 -Xms 和 -Xmx 兩個虛擬機器引數來指定一個程式的堆記憶體大小，

  java -Xms1M -Xmx2M HackTheJava

第一個引數設定初始值1M，第二個引數設定最大值2M。

5、方法區

（1）方法區（Method Area）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等資料。

（2）很多人把方法區稱為“永久代”（Permanent Generation），實際本質上兩者並不等價，僅僅是因為HotSpot虛擬機器的設計團隊選擇把GC分代收集擴充套件至方法區，或者說使用永久代來實現方法區而已

（3）資料進入了方法區並非就如永久代的名字一樣可以“永久”存在。相對而言，垃圾回收在這裡較少出現，但並不是沒有。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，但是這部分割槽域的回收確
實是必要的

（4）當方法區無法滿足記憶體分配需求時，將丟擲OutOfMemoryError異常。

6、執行時常量池

（1）執行時常量池是方法區的一部分。自然會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

（2）Class 檔案中的常量池（編譯器生成的各種字面量和符號引用）會在類載入後進入方法區的執行時常量池中存放

（3）執行時常量池相對於Class檔案常量池的另外一個重要特徵是具備動態性，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，例如String類的intern（）方法。

7、直接記憶體

直接記憶體（Direct Memory）並不是虛擬機器執行時資料區的一部分，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地使用，而且也可能導致OutOfMemoryError異常出現。

在JDK 1.4中新加入了NIO（New Input/Output）類，引入了一種基於通道（Channel）與緩衝區（Buffer）的I/O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。

三、參考

周志明. 深入理解 Java 虛擬機器（第二版） [M]. 機械工業出版社 2011.