概述

对于 Java 程序员来说，在虚拟机自动内存管理机制下，不再需要像C/C++程序开发程序员这样为内一个 new 操作去写对应的 delete/free 操作，不容易出现内存泄漏和内存溢出问题。正是因为 Java 程序员把内存控制权利交给 Java 虚拟机，一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题，如果不了解虚拟机是怎样使用内存的，那么排查错误将会是一个非常艰巨的任务。

运行时数据区

线程私有的包括：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈

线程共享的：堆、方法区、直接内存

程序计数器

记录正在执行的虚拟机字节码指令的地址。由于是多线程，线程轮流切换，切换线程后为了能恢复到正常的执行位置，每个线程需要一个独立的程序计数器。如果执行的是本地（Naive）方法，计数器为空。此内存区域是唯一一个没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域，它的生命周期随着线程创建而创建，随着线程结束而死亡。

Java虚拟机栈

Java 内存可以粗糙的区分为堆内存(Heap)和栈内存(Stack),其中栈就是现在说的虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。

Java虚拟机栈也是线程私有的，生命周期与线程相同。描述的是Java方法执行的内存模型。每个Java方法在执行的同时会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、常量池引用、动态链接、程序出口等信息。每一个方法从调用到执行完成的过程，对应一个栈帧在Java虚拟机栈中入栈和出栈的过程。

局部变量表存放了编译器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，不同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）和returnAddressleixing (字节码指令地址）。局部变量表所需内存在编译期间完成分配，运行期间不会改变。

可以通过 -Xss 这个虚拟机参数来指定每个线程的 Java 虚拟机栈内存大小： java -Xss 512M

可能抛出的异常情况:

若Java虚拟机栈的内存大小不允许动态扩展，那么当线程请求栈的深度超过当前Java虚拟机栈的最大深度的时候(栈帧过多)，就抛出StackOverFlowError异常。
若 Java 虚拟机栈的内存大小允许动态扩展，且当线程请求栈时内存用完了，无法再动态扩展了，此时抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈与 Java 虚拟机栈类似，虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。有的虚拟机如HotSpot虚拟机把二者合二为一。抛出的异常与上述一致。

本地方法一般是用其它语言（C、C++ 或汇编语言等）编写的，并且被编译为基于本机硬件和操作系统的程序，对待这些方法需要特别处理。

Java堆

Java堆是整个虚拟机所管理的最大内存区域，所有的对象创建都是在这个区域进行内存分配，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以及数组都在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域（方法区也需要回收），因此又称为GC堆(Garbage Collected Heap)。现在收集器基本采用分代收集算法，可以将堆分为新生代和老年代。划分的好处是可以方便垃圾的准确回收。

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。堆还可以动态增加其内存，当堆中无法申请到新内存创建实例，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemroyError。

可以通过 -Xms 和 -Xmx 两个虚拟机参数来指定一个程序的堆内存大小，第一个参数设置初始值，第二个参数设置最大值。

java -Xms1M -Xmx2M

方法区

方法区与 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。方法区也是所有线程共享。方法区逻辑上属于堆的一部分，但是为了与堆进行区分，通常又叫“非堆”。

方法区和堆一样不需要连续的内存，并且可以动态扩展，动态扩展失败一样会抛出 OutOfMemoryError 异常。

在HotSpot虚拟机中，把方法区当做永久代来进行GC，对起回收的目标主要是针对常量池的回收以及对类型的卸载，但是一般比较难实现。垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入方法区后就“永久存在”了。由于方法区主要存储类的相关信息，所以对于动态生成类的情况比较容易出现永久代的内存溢出。在JDK1.8中，已经移除了永久代，用元空间来替代。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。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。因此，默认情况下，元空间的大小仅受本地内存限制。

运行时常量池

运行时常量池是方法区中的一部分。Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有常量池信息（用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用）

既然运行时常量池时方法区的一部分，自然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。JDK1.7及之后版本的 JVM 已经将运行时常量池从方法区中移了出来，在 Java 堆（Heap）中开辟了一块区域存放运行时常量池。

《Java 中几种常量池的区分》： https://blog.csdn.net/qq_26222859/article/details/73135660

直接内存

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是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。

JDK1.4中新加入的 NIO(New Input/Output) 类，引入了一种基于通道（Channel）与缓存区（Buffer）的 I/O 方式，它可以直接使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样就能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在 Java 堆和 Native 堆之间来回复制数据。

本机直接内存的分配不会收到 Java 堆的限制，但是，既然是内存就会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。

参考资料

周志明. 深入理解 Java 虚拟机第二版[M]. 机械工业出版社, 2013.
https://github.com/CyC2018/CS-Notes/blob/master/notes/Java 虚拟机.md
https://crossoverjie.top/JCSprout/#/jvm/MemoryAllocation
https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU4NDQ4MzU5OA==&mid=2247483910&idx=1&sn=246f39051a85fc312577499691fba89f&chksm=fd985467caefdd71f9a7c275952be34484b14f9e092723c19bd4ef557c324169ed084f868bdb#rd