一、 前言
对于Java程序员来说，在虚拟机自动内存管理机制的帮助下，不再需要像C/C++那样为每一个new操作去写配对的delete/free代码，不容易出现内存泄漏和内存溢出问题。
由虚拟机管理内存虽然方便了程序员，不过，一旦出现这方面的问题，我们也必须学会如何排查错误，因此我们必须了解虚拟机的内存结构与工作过程以及其如何使用内存。
本文主要介绍Java虚拟机的运行时数据区域，从概念上介绍Java虚拟机内存的各个区域及作用。
二、运行时数据区域
JVM内存结构：
1、程序计数器
（1） 程序计数器（Program Counter Register）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。
（2）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，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。
（3）由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并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。
（4）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Native方法，这个计数器值则为空（Undefined）。
（5）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。
2、Java虚拟机栈
（1）与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。
（2）虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame [1] ）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
（3）在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：
- 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；
- 如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。
3、本地方法栈
（1）本地方法栈（Native Method Stack）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的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，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。
（2）在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机（譬如
Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。
（3）与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。
4、堆
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，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。（是垃圾收集的主要对象）
现在的垃圾收集器基本都是采用分代收集算法，其主要的思想是针对不同类型的对象采取不同的垃圾回收算法，可以将堆分成两块：
- 新生代（Young Generation）
- 老年代（Old Generation）
（再细分可分为Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等）
堆不需要连续内存（物理上可以不连续，逻辑上须连续），并且可以动态增加其内存，增加失败会抛出 OutOfMemoryError 异常。
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，
java -Xms1M -Xmx2M HackTheJava
第一个参数设置初始值1M，第二个参数设置最大值2M。
5、方法区
（1）方法区（Method Area）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。
（2）很多人把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），实际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
（3）数据进入了方法区并非就如永久代的名字一样可以“永久”存在。相对而言，垃圾回收在这里较少出现，但并不是没有。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“成绩”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确
实是必要的
（4）当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。
6、运行时常量池
（1）运行时常量池是方法区的一部分。自然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
（2）Class 文件中的常量池（编译器生成的各种字面量和符号引用）会在类加载后进入方法区的运行时常量池中存放
（3）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，运行期间也可能将新的常量放入池中，例如String类的intern（）方法。
7、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。
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堆中的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。
三、参考
周志明. 深入理解 Java 虚拟机（第二版） [M]. 机械工业出版社 2011.