前言

这里主要介绍一下 JVM 在启动后，作为操作系统的一个进程的基本结构，以及从操作系统角度看，JVM 如何管理它从操作系统里申请来的内存的，也就是 JVM 的内存结构或者叫 JVM 内存模型。

根据 JVM 规范，JVM 把内存划分成了如下几个区域：

1. 堆区（Heap）
2. 方法区（Method Area）
3. 虚拟机栈（VM Stack）
4. 本地方法栈（Native Method Stack）
5. 程序计数器（Program Counter Register）

根据线程安全策略，又分为线程私有和共享区域。

线程私有区域

程序计数器

是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

在Java虚拟机的概念模型里[1]，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

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；如果正在执行的是本地（Native）方法，这个计数器值则应为空（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。

虚拟机栈

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[1]（Stack Frame）用于存储 局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

1. 局部变量表

   存放了编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型、对象引用和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。

   这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，其中64位长度的long和double类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。（这种说法不一定准确，操作系统如果是64位，槽的大小也会是64位长度）

   局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

2. 操作数栈

   也被称为操作栈，它是一个后入先出栈。同局部变量表一样，操作数栈的最大深度也在编译的时候被写入到Code属性的max_stacks数据项之中。操作数栈的每一个元素都可以是包括long和double在内的任意Java数据类型。32位数据类型所占的栈容量为1，64位数据类型所占的栈容量为2。Javac编译器的数据流分析工作保证了在方法执行的任何时候，操作数栈的深度都不会超过在max_stacks数据项中设定的最大值。

3. 动态链接

   每个栈帧都包含一个指向运行时常量池[1]中该栈帧所属方法的引用，持有这个引用是为了支持方法调用。我们知道Class文件的常量池中存有大量的符号引用，字节码中的方法调用指令就以常量池里指向方法的符号引用作为参数。这些符号引用一部分会在类加载阶段或者第一次使用的时候就被转化为直接引用，这种转化被称为静态解析。另外一部分将在每一次运行期间都转化为直接引用，这部分就称为动态连接。

4. 返回地址

   当一个方法开始执行后，只有两种方式退出这个方法。

   第一种方式是执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令，这时候可能会有返回值传递给上层的方法调用者（调用当前方法的方法称为调用者或者主调方法），方法是否有返回值以及返回值的类型将根据遇到何种方法返回指令来决定，这种退出方法的方式称为“正常调用完成”（Normal Method Invocation Completion）。

   另外一种退出方式是在方法执行的过程中遇到了异常，并且这个异常没有在方法体内得到妥善处理。

线程共享区域

堆

Java堆（Java Heap）是虚拟机所管理的内存中最大的一块。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，Java世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。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”。

方法区

方法区又称非堆，类加载之后生成的class对象会存储在这个位置，它用于存储已被虚拟机加载的类信息（字段、方法、接口等）、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。

到了JDK 7的HotSpot，已经把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移出，而到了JDK 8，终于完全废弃了永久代的概念，改用与JRockit、J9一样在本地内存中实现的元空间（Metaspace）来代替，把JDK 7中永久代还剩余的内容（主要是类型信息）全部移到元空间中。

运行时常量池是方法区的一部分，.class文件经过编译，会生成本地常量池，用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，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。其中符号引用会被解析成直接引用。

运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是说，并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可以将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法。

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。

直接内存

直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是《Java虚拟机规范》中
定义的内存区域。但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现，所
以我们放到这里一起讲解。

在JDK 1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区
（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆里面
的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免
了在Java堆和Native堆中来回复制数据。