《深入理解Java虚拟机——JVM高级特性与最佳实践（第三版）》阅读笔记（二）
1. 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。在Java虚拟机的概念模型里，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。
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。
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）。
2. 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。每个方法被执行时，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。局部变量表存放了编译器可知的各种Java虚拟机数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，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者其他与此相关的位置）和return Address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位的long和double类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据只占用一个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，方法运行期间是不会改变的。
在《Java虚拟机规范》中规定了两个异常情况：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Java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会抛出OutOfMemoryError异常。
3. 本地方法栈
本地方法栈和Java虚拟机栈非常相似，区别就在于：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本地（Native）方法服务。本地方法栈同样会在栈深度溢出和栈扩展失败时抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。
4. Java堆
Java堆是虚拟机管理的内存中最大的一块，而且是被所有线程共享的一块内存区域，同时也是垃圾收集器管理的内存区域，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。随着Java语言的发展，即时编译技术的进步，尤其是逃逸分析技术的日渐强大，栈上分配、标量替换优化手段已经导致一些微妙的变化悄然发生，因此Java对象实例都分配在堆上也渐渐变得不是那么绝对了。
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，但在逻辑上是连续的。当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过参数-Xmx和-Xms设定），如果在Java堆中没有内存完成实例分配，而且堆也无法再扩展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。
5. 方法区
方法区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。到了JDK 8版本，废弃“永久代”设计方法，改用在本地内存中实现的元空间（Meta-space）来代替。如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。
6. 运行时常量池
运行时常量池是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表（Constant Pool Table），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。运行时常量池具备动态性，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。当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。
7. 直接内存
直接内存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。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。
本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是会受到本机总内存（包括物理内存、SWAP分区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制。在动态扩展时有可能出现OutOfMemoryError异常。
参考资料
《深入理解Java虚拟机——JVM高级特性与最佳实践（第三版）》
