jvm記憶體分析 計數器 堆 棧 本地方法棧 方法區
jvm程式計數器;
程式計數器（Program Counter Register）是一塊較小的記憶體空間，它可以看作是當前線
程所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
會通過一些更高效的方式去實現），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是一個核心）都只會執行一條線
程中的指令。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。
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）。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。
jvm 堆 ：
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。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。
經常有人把Java記憶體區分為堆記憶體（Heap）和棧記憶體（Stack），這種分法比較粗
糙，Java記憶體區域的劃分實際上遠比這複雜。這種劃分方式的流行只能說明大多數程式設計師最
關注的、與物件記憶體分配關係最密切的記憶體區域是這兩塊。其中所指的“堆”筆者在後面會專
門講述，而所指的“棧”就是現在講的虛擬機器棧，或者說是虛擬機器棧中區域性變量表部分。
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，可能是一個指向對
象起始地址的引用指標，也可能是指向一個代表物件的控制代碼或其他與此物件相關的位置）和
returnAddress型別（指向了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（Slot），其餘的資料
型別只佔用1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狀況：如果執行緒請求的棧深度大於虛
擬機所允許的深度，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。
jvm 棧：
對於大多數應用來說，Java堆（Java Heap）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。這一點在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[1]，但是隨著JIT編譯器的發展與逃逸分析技
術逐漸成熟，棧上分配、標量替換[2]優化技術將會導致一些微妙的變化發生，所有的物件都
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，幸好國內沒翻譯成“垃圾堆”）。從記憶體回收的角度來看，由於現在收集器基
本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例項，進一步劃
分的目的是為了更好地回收記憶體，或者更快地分配記憶體。在本章中，我們僅僅針對記憶體區域
的作用進行討論，Java堆中的上述各個區域的分配、回收等細節將是第3章的主題。
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，只要邏輯上
是連續的即可，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
可擴充套件的，不過當前主流的虛擬機器都是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。
jvm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。與虛擬機器棧一樣，本地方法
棧區域也會丟擲StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。
jvm方法區：
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。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做Non-Heap（非堆），目的應
該是與Java堆區分開來。
對於習慣在HotSpot虛擬機器上開發、部署程式的開發者來說，很多人都更願意把方法區
稱為“永久代”（Permanent Generation），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，這樣
HotSpot的垃圾收集器可以像管理Java堆一樣管理這部分記憶體，能夠省去專門為方法區編寫內
存管理程式碼的工作。對於其他虛擬機器（如BEA JRockit、IBM J9等）來說是不存在永久代的概
唸的。原則上，如何實現方法區屬於虛擬機器實現細節，不受虛擬機器規範約束，但使用永久代
來實現方法區，現在看來並不是一個好主意，因為這樣更容易遇到記憶體溢位問題（永久代
有-XX：MaxPermSize的上限，J9和JRockit只要沒有觸碰到程序可用記憶體的上限，例如32位系
統中的4GB，就不會出現問題），而且有極少數方法（例如String.intern（））會因這個原因
導致不同虛擬機器下有不同的表現。因此，對於HotSpot虛擬機器，根據官方釋出的路線圖信
息，現在也有放棄永久代並逐步改為採用Native Memory來實現方法區的規劃了[1]，在目前已
經發布的JDK 1.7的HotSpot中，已經把原本放在永久代的字串常量池移出。
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，但是這部分割槽域的回收確
實是必要的。在Sun公司的BUG列表中，曾出現過的若干個嚴重的BUG就是由於低版本的
HotSpot虛擬機器對此區域未完全回收而導致記憶體洩漏。
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