【JVM】谈谈JVM内存区域的划分

对 Java 程序员来说我们不用自己手动管理对象内存的申请与释放，全部交由 Java 虚拟机（JVM）来管理内存的分配与回收。

因此，日常开发中我们不用关心内存分配与回收，减少了很多繁琐的工作，大大提高了开发效率。也正是因为如此，一旦出内存泄漏和溢出方面的问题，如果不了解 JVM 内部的内存结构、工作机制，那么排查问题将变得异常艰难。

接下来，我们一起学习 JVM 内存区域的划分、作用以及可能产生的问题。

根据 Java 虚拟机规范，Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它所管理的内存划分为几个不同的数据区域，如下所示：

JVM内存区域的划分

其中，有些区域会在虚拟机进程启动的时候创建，由所有线程共享。还有些区域则在用户线程的启动的时候创建，线程结束的时候销毁，这部分区域则是线程私有的。

JVM 内存区域主要分为线程共享区域（Java堆、方法区）、线程私有区域（程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈）。

1、程序计数器（Program Counter Register）

程序计数器也叫PC寄存器。是一块较小的内存空间。在 JVM 规范中，每个线程都有自己的程序计数器，独立存储，互不影响，也就是说程序计数器是线程私有的。如果当前线程执行的是一个 Java 方法，程序计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址，如果正在执行的是本地（Native）方法，则是空（Undefined）。此内存区域是唯一一个在 JVM 规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。

2、Java 虚拟机栈（VM Stack）

Java 虚拟机栈也是线程私有的，每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧（Stack Frame）压入虚拟机栈，方法执行完毕栈帧出栈。栈帧中存储着局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。

在 JVM 规范中对虚拟机栈规定了两类异常：

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。可以通过参数-Xss 设定Java虚拟机栈空间大小。

3、本地方法栈（Native Method Stack）

本地方法栈与虚拟机栈类似，也是每个线程都会创建一个。区别是，虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法服务，本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。

JVM 规范中并未对本地方法栈的实现做强制规定，具体虚拟机可以根据需要自由实现它。甚至在 Oracle Hotspot JVM 中将本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出 StackOverflowError 和 OutOfMemoryError 异常。

4、堆（Heap）

Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。它是Java内存管理的核心区域，用来存放 Java 对象实例，几乎所有的 Java 对象实例都被直接分配在堆上。但是随着即时编译技术的进步和逃逸分析技术的逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化手段将会导致一些微妙的变化，所有的对象都分配到堆上也渐渐变得不那么“绝对”了。

从 JDK1.7 开始已经默认开启逃逸分析，如果某些方法中的对象引用没有被返回或者未被外面使用（也就是未逃逸出去），那么对象可以直接在栈上分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称为GC堆。从垃圾回收的角度看，由于现代垃圾收集器大部分都是基于分代收集理论设计的，所以 Java堆还可以细分为：新生代（Eden区、From Survivor区和 To Survivor区）和老年代。无论如何划分，Java 中存储的都是对象的实例，这一点上是不变的，而将 Java堆细分的目的只是为了更好的回收内存，或者更快的分配内存。

如果在Java堆中没有足够的内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java虚拟机将抛出 OutOfMemoryError 异常。通过参数-Xms 和 -Xmx 设定初始堆大小和最大堆大小。

5、方法区（Method Area）

方法区也是所有线程共享的一块内存区域，用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。由于早期 HotSpot JVM 使用永久代实现方法区，很多人习惯将方法区称为永久代（Permanent Generation）。方法区是Java虚拟机规范中的定义，是一种规范，而永久代则是一种是实现，一个是标准一个是实现，其他的虚拟机（比如 BEA JRockit、IBM J9等）实现并没有永久代这一说法。

方法区的发展

由于永久代的大小是有限的，并且 JVM 对永久代垃圾回收（如，常量池回收、类型的卸载）的效果比较难以令人满意，我们通常使用 -XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 设置永久代的大小, 32位机器默认的永久代大小为64M，64位的机器则为85M。一旦类的元数据超过了设定的大小，程序就会耗尽内存，并出现内存溢出错误（OOM）。

在 JDK6 的时候 HotSpot 团队就有放弃永久代逐步改为本地内存（Native Memory）来实现方法区的计划了，到了 JDK7 已经把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移到堆上分配，在 JDK8 中彻底移除了永久代，将 JDK7 中永久代剩余的内容（主要是类的元数据）移到元空间（Metaspace）中。移除永久代是为融合 HotSpot JVM 与 JRockit VM 而做出的努力，因为 JRockit 没有永久代，不需要配置永久代。

元空间（Metaspace）

元空间与永久代最大的区别在于：元空间并不在 Java虚拟机中，而是使用本地内存（Native Memory）。因此，默认情况下，元空间大小仅受本地内存限制。

类的元数据放入本地内存，字符串常量池和类的静态变量放入 Java堆中，这样加载多少类的元数据就不再由 MaxPermSize 控制，而由系统的实际可用空间来控制。通过参数 -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize 设定元空间初始值和最大值。

http://openjdk.java.net/jeps/122
https://www.infoq.cn/article/Java-PERMGEN-Removed
https://xie.infoq.cn/article/e5e566b566d4aeb1d04a2c0de
https://www.jianshu.com/p/3ecece7ece20

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