Java内存区域详解

JVM内存结构主要包括以下几部分：

程序计数器
Java虚拟机栈
本地方法栈
Java堆
方法区（元空间）
运行时常量池
直接内存

其中：

线程私有的：
- 程序计数器
- Java虚拟机栈
- 本地方法栈
线程共享的：
- Java堆
- 方法区（元空间）
- 直接内存

JDK1.7及之前，方法区被称为永久代（PermGen），从JDK1.8开始，方法区被移除，取而代之的是元空间（Metaspace）。

一、程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。

每个线程都有一个独立的程序计数器，线程切换时，程序计数器可以保存当前线程的执行位置，以便恢复执行。

所以程序计数器主要有两个作用：

字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制
在多线程情况下，程序计数器用于记录当前线程执行位置，从而实现线程切换和恢复

程序计数器的生命周期与线程完全同步：

创建：随着线程的创建而创建
销毁：随着线程的结束而销毁

注意：程序计数器是JVM规范中唯一没有规定任何OutOfMemoryError的内存区域，因为它的内存需求非常小，且由线程私有，不会出现内存溢出的问题。

二、Java虚拟机栈

Java虚拟机栈也是线程私有的，生命周期与线程相同。

方法调用的数据需要通过栈进行传递，每一次方法调用都会有一个对应的栈帧被压入栈，每一个方法调用结束后，都会有一个栈帧被弹出。

每个栈帧中都拥有：局部变量表、操作数栈、动态链接和方法返回地址等信息。

局部变量表：主要存放编译期可知的各种类型（boolean、byte、char、short、int、long、float、double）、对象引用（reference类型）。
操作数栈：主要作为方法调用的中转站使用，用于存放方法执行过程中产生的各种中间结果。
动态链接：主要用于在运行时解析虚方法的调用点，将其链接到正确的方法版本上。
方法返回地址：主要用于存储方法调用结束后，程序计数器应该返回的位置。

程序运行中栈可能出现的两种异常：

StackOverflowError：当线程请求的栈深度超过虚拟机所允许的最大深度时，抛出该异常。
OutOfMemoryError：当虚拟机无法为线程分配足够的栈内存时，抛出该异常。

三、本地方法栈

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。

方法执行完毕后相应的栈帧也会出栈并释放内存空间，也会出现StackOverFlowError和OutOfMemoryError两种错误。

四、Java堆

Java堆是JVM中最大的一块内存区域，是所有线程共享的内存区域，主要用于存放对象实例和数组。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称为GC堆。

JDK1.7及之前，堆一般分为下面三部分：

新生代（Young Generation）：主要存放新创建的对象，垃圾收集器会频繁地对新生代进行垃圾回收。新生代一般占堆内存的1/3。
老年代（Old Generation）：主要存放经过多次垃圾回收仍然存活的对象，垃圾收集器对老年代的垃圾回收频率较低。老年代一般占堆内存的2/3。
永久代（PermGen）：主要存放类的元数据，如类的结构信息、常量池等。

从JDK1.8开始，永久代被移除，取而代之的是元空间（Metaspace），元空间不再使用堆内存，而是使用本地内存。

Java堆内存结构

新生代分为Eden区和两个Survivor区（S0和S1），新创建的对象首先被分配到Eden区，当Eden区满时，垃圾收集器会进行Minor GC，将存活的对象从Eden区复制到Survivor区。
当Survivor中的对象年龄增加到一定程度时（默认是15岁，这是因为记录年龄使用的区域是4为，这四位可以表示的最大二进制数字是1111，即15），就会被晋升到老年区。
老年代主要存放经过多次垃圾回收仍然存活的对象，垃圾收集器对老年代的垃圾回收频率较低，通常在老年代满时才会进行Full GC。

在某些JVM实现中，为大对象分配了专门的区域，称为大对象区。这类对象直接分配在老年代，以避免在新生代进行频繁的垃圾回收。

补充：Survivor为什么要分为S0和S1两个区？

主要是为了实现对象的复制算法。在垃圾回收过程中，垃圾收集器会将存活的对象从Eden区复制到一个Survivor区（比如S0），而另一个Survivor区（比如S1）则作为空闲区。当下一次垃圾回收发生时，垃圾收集器会将存活的对象从Eden区复制到另一个Survivor区（S1），同时将之前存活的对象从S0区复制到S1区。这样通过交替使用两个Survivor区，可以有效地管理对象的生命周期和内存使用。

五、方法区（元空间）

方法区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等数据。

方法区主要存储以下核心数据：

类的元数据
方法的字节码
运行时常量池

需要注意的是，以下几类数据虽然在逻辑上与类相关，但在HotSpot虚拟机中，他们并不储存在方法区内：

静态变量：自JDK7开始，静态变量被移到了Java堆中。
字符串常量池：常量池中的字符串常量和基本类型常量也被移到了Java堆中。
即时编译器编译后的代码：JIT编译器生成的本地代码被存储在一个独立的名为Code Cache的内存区域中。

方法区中的方法执行过程：

解析方法调用：JVM会根据方法的符号引用找到实际的方法地址。
栈帧创建：在调用方法前，JVM会在当前线程的Java虚拟机栈中为该方法分配一个新的栈帧。
执行方法：执行方法内部的字节码指令。
返回处理：方法执行完毕后，JVM会根据方法的返回类型处理返回值，并清理当前栈帧，回复调用者的执行环境。

JDK1.8及之后，方法区被移除，取而代之的是元空间（Metaspace）。
为什么要将永久代替换为元空间？

永久代有一个JVM本身设置的固定大小上限，无法进行调整，而元空间使用的是本地内存，受本机可用内存的限制，具有更大的灵活性。
元空间里面存放的是类的元数据，这样加载多少类的元数据就不由MaxPermSize控制了，而由系统的实际可用空间来控制，这样能加载的类就更多了。
永久代会为GC带来不必要的复杂度，而且回收效率偏低。

六、运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分，用于存储编译期生成的各种字面量和符号引用。它是类文件中的常量池在运行时的表现形式。

七、直接内存

直接内存是一种特殊的内存缓冲区，并不在 Java 堆或方法区中分配的，而是通过 JNI 的方式在本地内存上分配的。

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错误出现。

八、总结

总体结构图

线程私有：
    ├── 程序计数器
    ├── JVM栈
    └── 本地方法栈

线程共享：
    ├── 堆（重点）
    ├── 方法区
    │    └── 运行时常量池
    └── 直接内存（非规范）

参考资料：

Java内存区域详解