序言
Java与C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的高墙，墙外面的人想进出，墙里面的人想出来。对于Java程序员来说，在虚拟机的自动内存管理的机制下，不再需要为每一个new操作区写配对的delete/free代码，不容易出现内存泄漏和内存溢出的问题，看起来由虚拟机管理内存一切都很美好。但是一旦出现内存泄漏和内存溢出问题，如果不了解虚拟机是怎样使用内存的，那么排查错误、修正问题就会是一项异常艰难的工作。本文将介绍Java虚拟机中内存的各个区域的，以及它们的作用和可能出现的问题
1. 运行时数据区域
Java虚拟机的运行时数据区域总共分为五大块，这些区域有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而一直存在，有的区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁，具体区域如图所示：
1.1 程序计时器
程序计数器是一块较小的空间，它可以看作是当前线程的所执行的字节码的行号指示器。在Java虚拟机的概念模型中，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、分配处理器的执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器都只会执行一条线程中的指令。因为，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，那么每个线程都必须要存储一个程序计数器，各个线程之间互不影响，我们称这类内存区域为线程私有的内存区域。
如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的就是字节码行号，但是如果执行的是一个本地方法，这个计数器的值则为空（undefined）。这个区域是唯一一个在《Java虚拟机规范》中没有规定任何OutOfMemoryError的区域
1.2 虚拟机栈
与程序计数器一样，这块区域也是线程私有的，它的生命周期和线程相同。从名字上来理解，虚拟机栈是描述Java方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步的创建一个栈帧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中从入栈和出栈的过程。
局部变量表中存放了编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型（boolean、byte、short、char、int、float、double）、对象引用（reference类型，它并不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和 returnAdderss类型（指向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（solt）来表示，其中64长度的long和double类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只会占用一个。局部变量表所需要的空间在编译期间就已经完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要再栈帧中分配出多大的局部变量表空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。这里大小是指变量槽的数量，虚拟机真正使用多大的空间（如一个变量槽占用32bit、64bit或者更多）来实现一个变量槽，这完全是由虚拟机自行决定的事情。
在《Java虚拟机规范中》，对这个内存区域规定了两类异常情况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的栈深度，将抛出StackOverflowError异常；如果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则会抛出OutOfMemoryError异常。
1.3 本地方法栈
本地方法栈的作用和虚拟机栈的作用是类似的，只不过本地方法栈是为Java当中的本地方法（Native）服务的，而虚拟机栈是为Java方法服务的。与虚拟机栈一样，本地方法栈在栈深度溢出或栈扩展失败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常
1.4 堆
Java堆是虚拟机所管理的内存中最大的一块区域，是被所有线程共享的，在虚拟机启动的时候创建。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。这里说几乎，是因为随着即时编译技术的进步，栈上分配和标量替换优化手段会导致对象实例不在堆中分配。所以最终在何处分配内存完全是由虚拟机自行决定的。
如果从内存划分的角度看，所有线程共享的堆中可以划分为多个线程私有的分配缓冲区域（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），以提高对象分配时的效率，不过无论从什么角度，无论如何划分，都不会改变Java堆中存储内容的共性，无论哪个区域，存储的都只能是对象实例，将Java堆细分（新生代、老年代、元空间、永久代）的目的都只是为了更好的回收内存，或者更快的分配内存。
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，但在逻辑上它应该被视为连续的。但对于一些大对象（比如数组），多数的虚拟机都要求连续的内存空间
Java虚拟机可以被实现成固定大小的，也可以是动态扩展的，对应目前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms参数）。如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法在继续扩展，则会抛出OutOfMemoryError异常。
1.5 方法区
方法区和Java堆一样，是各个线程共享一块的区域，它用于存储已经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。
《Java虚拟机规范》对方法区的约束是非常宽松的，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小和可扩展外，甚至可以选择不实现垃圾收集。相对而言，垃圾收集行为在方法区这个区域确实比较少出现，但并非数据进入方法区就永久存在了。这区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说这个区域的回收效果比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收有时又确实是必要的，比如常见的框架当中，大量使用反射来创建类，这部分类的信息就会被加载的方法区中，如果没有回收程序就会出现错误。
根据《Java虚拟机规范》的规定，如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。
1.6 运行时常量池
运行时常量池是方法区的一部分，Class文件除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表，用于存放编译期生产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
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，这种特性被利用的较多的就是String类的intern()方法。
既然运行时常量池是方法区的一部分，自然也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。
1.7 直接内存
直接内存并不是虚拟机内存运行时数据区的一部分，也不是《Java虚拟机规范》中定义的内存数据，但是这部分内存也会被频繁地使用，而且也可能会导致OutOfMemoryError异常。
在 JDK 1.4 版本中新加入了 NIO 类，引入一种基于通道（channel）与缓冲区（buffer）的 IO 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 堆中的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样可以显著的提高信息，因为避免了 Java 堆和 Native 堆中来回复制数据。
显然，本机直接内存的分配不会受到 Java 堆大小的限制，但是既然是内存，还是会收到本机总内存的限制。
总结
理解JVM虚拟机是非常有必要的，无论是在工作中或者是面试中，JVM所占的权重也越来越多，我后续也会发布关于JVM的其他文章，如果有问题，大家可以一起交流学习。
