java内存管理：深入Java内存区域

1、概论

Java源代码被编译器编译成class文件。而并不是底层操作系统可以直接执行的二进制指令(比如Windows OS的.exe文件)。因此，我们需要有一种平台可以解释class文件并运行它。而做到这一点的正是Java 虚拟机(JVM)。
JVM屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使得Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。实际上，JVM是一种解释执行class文件的规范技术。各个提供商都可以根据规范，在不同的底层平台上实现不同的JVM。

JVM体系结构：其中类装载子系统、运行时数据区、执行引擎等是JVM的必须要解决的几大问题。

谈及java内存管理，必须会提到java内存区域（运行时数据区）和java垃圾回收机制。
运行时数据区：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若干个不同的数据区域。
垃圾回收器：负责回收堆内存（Heap）中没有被使用的对象，即这些对象已经没有被引用了。

2、运行时数据区：

2.1、程序计数器（线程私有）：
程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间,存在于CPU中的寄存器中，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。
如果线程正在执行的是一个Java方法，这个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Natvie方法，这个计数器值则为空（Undefined）。
此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

2.2、Java虚拟机栈（线程私有）：
与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。
虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
通俗的理解：当线程调用某个方法时，JVM会根据方法区中该方法的字节码组建一个栈帧。并将该栈帧压入Java栈中（后进先出），方法执行完毕时，JVM会弹出该栈帧并释放掉。

2.2.1：栈帧（Stack Frame）
栈帧有三部分构成：局部变量区、操作数栈和帧数据区。在编译器编译Java代码时，就已经在字节码中为每个方法都设置好了局部变量区和操作数栈的数据和大小。并在JVM首次加载方法所属的Class文件时，就将这些数据放进了方法区。因此在线程调用方法时，只需要根据方法区中的局部变量区和操作数栈的大小来分配一个新的栈帧的内存大小。
局部变量区：存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型），其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1个。
操作数栈： 用来在执行指令的时候存储和使用中间结果数据。
帧数据区： 常量池的解析，正常方法返回以及异常派发机制的信息数据都存储在其中。

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：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；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

2.3、本地方法栈：
本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

2.4、Java堆（线程共享，虚拟机启动时创建）：
　　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。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。这一点在Java虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配（非静态数据），但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象都分配在堆上也渐渐变得不是那么“绝对”了。
　　Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”。如果从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。
　　根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx,最大堆内存和-Xms，初始堆内存控制）。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

2.5、方法区（线程共享）：
　　方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。对于习惯在HotSpot虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。
根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。
　　
2.５.1：运行时常量池：
运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，还有一项信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。
既然运行时常量池是方法区的一部分，自然会受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。