JVM运行时内存区域

我们以HotSpot虚拟机为前提下展开，因为目前使用最多的还是HotSpot虚拟机。

Java虚拟机在执行Java程序时，会将分配给JVM的内存划分为几个不同的区域。有些区域在JVM启动之后就存在，直到关闭JVM进程；有些区域则依赖于用户线程，随着用户线程的生命周期一同创建和销毁。

从Java1.8开始，JVM内存区域划分如图所示，从图中我们可以看出：

  • JVM堆中的数据是共享的，是占用内存最大的一块区域，是垃圾收集器管理的内存区域。
  • 可以执行字节码的模块叫作执行引擎。
  • 执行引擎在线程切换时依靠的就是程序计数器。
  • JVM 的内存划分与多线程是息息相关的。像我们程序中运行时用到的栈，以及本地方法栈，它们的维度都是线程。
  • 本地内存包含元数据区和一些直接内存。

虚拟机栈

Java虚拟机栈是基于线程的。哪怕你只有一个main() 方法，也是以线程的方式运行的。在线程的生命周期中，参与计算的数据会频繁地入栈和出栈，栈的生命周期是和线程一样的。

栈里的每条数据，就是栈帧。在每个Java 方法被调用的时候，都会创建一个栈帧，并入栈。一旦完成相应的调用，则出栈。所有的栈帧都出栈后，线程也就结束了。每个栈帧，都包含四个区域：

  • 局部变量表
  • 操作数栈
  • 动态连接
  • 返回地址

我们的应用程序，就是在不断操作这些内存空间中完成的。

这里有一个比较特殊的数据类型叫作 returnAdress。因为这种类型只存在于字节码层面，所以我们平常打交道的比较少。对于 JVM 来说，程序就是存储在方法区的字节码指令，而 returnAddress 类型的值就是指向特定指令内存地址的指针。

如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈是和虚拟机栈非常相似的一个区域，唯一的区别是虚拟机栈是为Java方法服务，而本地方法栈是为本地方法（Java Native Method）服务的。

与虚拟机栈一样，本地方法栈也会在同样情况下会抛出相同异常。

程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，它的作用可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。这里面存的，就是当前线程执行的进度。各个线程都有自己的程序计数器，所以这块是线程私有的。并且程序计数器也是唯一不会发生内存溢出的区域。

程序计数器与虚拟机栈配合完成计算操作。程序计数器还存储了当前正在运行的流程，包括正在执行的指令、跳转、分支、循环、异常处理等。

堆

堆是JVM上最大的内存区域，我们申请的几乎所有的对象，都是在这里存储的（还存储着数组、字符串常量池、静态变量）。我们常说的垃圾回收，操作的对象就是堆。

这里讲两个问题：
1）一个对象创建的时候，到底是在堆上分配，还是在栈上分配呢？

1
2
3
4
5
6
7
这和两个方面有关：对象的类型和在Java类中存在的位置。
Java的对象可以分为基本数据类型和普通对象。
对于普通对象来说，JVM 会首先在堆上创建对象，然后在其他地方使用的其实是它的引用。比如，把这个引用保存在虚拟机栈的局部变量表中。
对于基本数据类型来说（byte、short、int、long、float、double、char)，有两种情况。
我们上面提到，每个线程拥有一个虚拟机栈。当你在方法体内声明了基本数据类型的对象，它就会在栈上直接分配。其他情况，都是在堆上分配。
注意，像int[]数组这样的内容，是在堆上分配的。数组并不是基本数据类型。
这就是 JVM 的基本的内存分配策略。

2）堆是所有线程共享的，如果是多个线程访问，会涉及并发安全问题。

1
2
HotSpot虚拟机中采用`TLAB`的方法进行内存分配的。
可以参考：https://juejin.cn/post/6844903903939526664

如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再拓展时，Java虚拟机会抛出OOM(OutOfMemoryError)异常。

方法区

方法区是JVM定义的规范概念，用于存储类信息（类级别的结构信息）、运行时常量池、字节码等数据，具体放在哪儿，不同的实现可以放在不同的地方。

1.7及之前版本的方法区

这里说一下Java1.7及之前的运行内存区域是长这样的：

可以看到它是和堆内存连在一起的，其实就是从堆内存中特意拿出一块区域，把它命名为方法区（实现是堆分代思想中的永久代）。
所以既然本质上还是堆的一部分，就是OOM的风险。

1.8及之后版本的方法区

在Java1.8中，HotSpot虚拟机已经将永久代移除了，取而代之的就是元空间。
元空间的本质和永久代类似，都是对JVM规范中方法区的实现。
元空间不在与堆是连续的物理内存，而是改为使用本地内存(Native memory)。元空间使用本地内存也就意味着只要本地内存足够，就不会出现OOM的错误。