介紹

  Java虛擬機器在執行Java程式的過程中會把他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。

執行時資料區域

  Java虛擬機器在執行Java程式的過程中會把他所管理的記憶體劃分為若干個不同的資料區域。Java虛擬機器規範將JVM所管理的記憶體分為以下幾個執行時資料區：程式計數器、Java虛擬機器棧、本地方法棧、Java堆、方法區。整體劃分情況如下圖所示：

其中,方法區和和堆區是執行緒共享的，其它區域是執行緒隔離的。以下對各個區域的具體作用做詳細說明。

程式計數器

  一塊較小的記憶體空間，它是當前執行緒所執行的位元組碼的行號指示器，位元組碼直譯器工作時通過改變該計數器的值來選擇下一條需要執行的位元組碼指令，分支、跳轉、迴圈等基礎功能都要依賴它來實現。每條執行緒都有一個獨立的的程式計數器，各執行緒間的計數器互不影響，因此該區域是執行緒私有的。

  當執行緒在執行一個Java方法時，該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，當執行緒在執行的是Native方法（呼叫本地作業系統方法）時，該計數器的值為空。另外，該記憶體區域是唯一一個在Java虛擬機器規範中麼有規定任何OOM（記憶體溢位：OutOfMemoryError）情況的區域。

Java虛擬機器棧

  該區域也是執行緒私有的，它的生命週期也與執行緒相同。虛擬機器棧描述的是Java方法執行的記憶體模型：每個方法被執行的時候都會同時建立一個棧幀，棧它是用於支援續虛擬機器進行方法呼叫和方法執行的資料結構。對於執行引擎來講，活動執行緒中，只有棧頂的棧幀是有效的，稱為當前棧幀，這個棧幀所關聯的方法稱為當前方法，執行引擎所執行的所有位元組碼指令都只針對當前棧幀進行操作。棧幀用於儲存區域性變量表、運算元棧、動態連結、方法返回地址和一些額外的附加資訊。在編譯程式程式碼時，棧幀中需要多大的區域性變量表、多深的運算元棧都已經完全確定了，並且寫入了方法表的Code屬性之中。因此，一個棧幀需要分配多少記憶體，不會受到程式執行期變數資料的影響，而僅僅取決於具體的虛擬機器實現。

在Java虛擬機器規範中，對這個區域規定了兩種異常情況：

1. 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。
2. 如果虛擬機器在動態擴充套件棧時無法申請到足夠的記憶體空間，則丟擲OutOfMemoryError異常。

這兩種情況存在著一些互相重疊的地方：當棧空間無法繼續分配時，到底是記憶體太小，還是已使用的棧空間太大，其本質上只是對同一件事情的兩種描述而已。在單執行緒的操作中，無論是由於棧幀太大，還是虛擬機器棧空間太小，當棧空間無法分配時，虛擬機器丟擲的都是StackOverflowError異常，而不會得到OutOfMemoryError異常。而在多執行緒環境下，則會丟擲OutOfMemoryError異常。

下面詳細說明棧幀中所存放的各部分資訊的作用和資料結構。

1. 區域性變量表

     區域性變量表是一組變數值儲存空間，用於存放方法引數和方法內部定義的區域性變數，其中存放的資料的型別是編譯期可知的各種基本資料型別、物件引用（reference）和returnAddress型別（它指向了一條位元組碼指令的地址）。區域性變量表所需的記憶體空間在編譯期間完成分配，即在Java程式被編譯成Class檔案時，就確定了所需分配的最大區域性變量表的容量。當進入一個方法時，這個方法需要在棧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。

     區域性變量表的容量以變數槽（Slot）為最小單位。在虛擬機器規範中並沒有明確指明一個Slot應占用的記憶體空間大小（允許其隨著處理器、作業系統或虛擬機器的不同而發生變化），一個Slot可以存放一個32位以內的資料型別：boolean、byte、char、short、int、float、reference和returnAddresss。reference是物件的引用型別，returnAddress是為位元組指令服務的，它執行了一條位元組碼指令的地址。對於64位的資料型別（long和double），虛擬機器會以高位在前的方式為其分配兩個連續的Slot空間。

     虛擬機器通過索引定位的方式使用區域性變量表，索引值的範圍是從0開始到區域性變量表最大的Slot數量，對於32位資料型別的變數，索引n代表第n個Slot，對於64位的，索引n代表第n和第n+1兩個Slot。

     在方法執行時，虛擬機器是使用區域性變量表來完成引數值到引數變數列表的傳遞過程的，如果是例項方法（非static），則區域性變量表中的第0位索引的Slot預設是用於傳遞方法所屬物件例項的引用，在方法中可以通過關鍵字“this”來訪問這個隱含的引數。其餘引數則按照引數表的順序來排列，佔用從1開始的區域性變數Slot，引數表分配完畢後，再根據方法體內部定義的變數順序和作用域分配其餘的Slot。

     區域性變量表中的Slot是可重用的，方法體中定義的變數，作用域並不一定會覆蓋整個方法體，如果當前位元組碼PC計數器的值已經超過了某個變數的作用域，那麼這個變數對應的Slot就可以交給其他變數使用。這樣的設計不僅僅是為了節省空間，在某些情況下Slot的複用會直接影響到系統的而垃圾收集行為。

2. 運算元棧

     運算元棧又常被稱為操作棧，運算元棧的最大深度也是在編譯的時候就確定了。32位資料型別所佔的棧容量為1,64為資料型別所佔的棧容量為2。當一個方法開始執行時，它的操作棧是空的，在方法的執行過程中，會有各種位元組碼指令（比如：加操作、賦值元算等）向操作棧中寫入和提取內容，也就是入棧和出棧操作。

   Java虛擬機器的解釋執行引擎稱為“基於棧的執行引擎”，其中所指的“棧”就是運算元棧。因此我們也稱Java虛擬機器是基於棧的，這點不同於Android虛擬機器，Android虛擬機器是基於暫存器的。

     基於棧的指令集最主要的優點是可移植性強，主要的缺點是執行速度相對會慢些；而由於暫存器由硬體直接提供，所以基於暫存器指令集最主要的優點是執行速度快，主要的缺點是可移植性差。

3. 動態連線

     每個棧幀都包含一個指向執行時常量池（在方法區中，後面介紹）中該棧幀所屬方法的引用，持有這個引用是為了支援方法呼叫過程中的動態連線。Class檔案的常量池中存在有大量的符號引用，位元組碼中的方法呼叫指令就以常量池中指向方法的符號引用為引數。這些符號引用，一部分會在類載入階段或第一次使用的時候轉化為直接引用（如final、static域等），稱為靜態解析，另一部分將在每一次的執行期間轉化為直接引用，這部分稱為動態連線。

4. 方法返回地址

     當一個方法被執行後，有兩種方式退出該方法：執行引擎遇到了任意一個方法返回的位元組碼指令或遇到了異常，並且該異常沒有在方法體內得到處理。無論採用何種退出方式，在方法退出之後，都需要返回到方法被呼叫的位置，程式才能繼續執行。方法返回時可能需要在棧幀中儲存一些資訊，用來幫助恢復它的上層方法的執行狀態。一般來說，方法正常退出時，呼叫者的PC計數器的值就可以作為返回地址，棧幀中很可能儲存了這個計數器值，而方法異常退出時，返回地址是要通過異常處理器來確定的，棧幀中一般不會儲存這部分資訊。

   方法退出的過程實際上等同於把當前棧幀出站，因此退出時可能執行的操作有：恢復上層方法的區域性變量表和運算元棧，如果有返回值，則把它壓入呼叫者棧幀的運算元棧中，調整PC計數器的值以指向方法呼叫指令後面的一條指令。

本地方法棧

  該區域與虛擬機器棧所發揮的作用非常相似，只是虛擬機器棧為虛擬機器執行Java方法服務，而本地方法棧則為使用到的本地作業系統（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，因此虛擬機器可以自由實現。有些虛擬機器比如（Sun HotSpot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StackOverFlowError(SOF)和OutOfMemoryError(OOM)異常。

Java堆

  Java堆區（Java Heap）是Java虛擬機器所管理的記憶體中最大的一塊，它是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和陣列都在這類分配記憶體。Java Heap是垃圾收集器管理的主要區域，因此很多時候也被稱為“GC堆”。

根據Java虛擬機器規範的規定，Java堆可以處在物理上不連續的記憶體空間中，只要邏輯上是連續的即可。如果在堆中沒有記憶體可分配時，並且堆也無法擴充套件時，將會丟擲OutOfMemoryError異常。

方法區（Method Area）

  方法區也是各個執行緒共享的記憶體區域，它用於儲存已經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。方法區域又被稱為“永久代”，但這僅僅對於Sun HotSpot來講，JRockit和IBM J9虛擬機器中並不存在永久代的概念。Java虛擬機器規範把方法區描述為Java堆的一個邏輯部分，而且它和Java Heap一樣不需要連續的記憶體，可以選擇固定大小或可擴充套件，另外，虛擬機器規範允許該區域可以選擇不實現垃圾回收。相對而言，垃圾收集行為在這個區域比較少出現。該區域的記憶體回收目標主要針是對廢棄常量的和無用類的回收。

執行時常量池

  注意：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（Class檔案常量池），用於存放編譯器生成的各種字面量和符號引用，這部分內容將在類載入後存放到方法區的執行時常量池中。執行時常量池相對於Class檔案常量池的另一個重要特徵是具備動態性，Java語言並不要求常量一定只能在編譯期產生，也就是並非預置入Class檔案中的常量池的內容才能進入方法區的執行時常量池，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比較多的是String類的intern()方法。

既然執行時常量池是方法區的一部分，自然受到方法區記憶體限制，當方法區無法滿足記憶體分配需求時，將丟擲OutOfMemoryError異常。

除了上述幾個分割槽外，特別要說明的還有一個是直接記憶體。

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，它直接從作業系統中分配，因此不受Java堆大小的限制，但是會受到本機總記憶體的大小及處理器定址空間的限制，因此它也可能導致OutOfMemoryError異常出現。在JDK1.4中新引入了NIO機制，它是一種基於通道與緩衝區的新I/O方式，可以直接從作業系統中分配直接記憶體，即在堆外分配記憶體，這樣能在一些場景中提高效能，因為避免了在Java堆和Native堆中來回複製資料。

總結

上述概念 看起來比較多，而且不容易理解。其實只要抓住兩個核心問題即可。
1. Java記憶體區域到底劃分了哪幾個區？

大體上有五個分割槽 ，分別是 堆，方法區，虛擬機器棧，本地方法棧，程式計數器。其中堆區和方法區執行緒共享，其他區域執行緒隔離。
2. 每個區具體放了什麼？

堆區:存放物件例項，GC 主要作用區域。
方法區：存放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。
虛擬機器棧：描述Java方法執行時的記憶體模型，為執行Java方法服務。
本地方法棧：描述本地方法Native執行的記憶體模型，為執行本地方法服務。
程式計數器：為執行位元組碼指令服務，通過改變計數器值來選取下條指令。

參考資料

《深入理解Java虛擬機器》周志明 著