《深入理解Java虚拟机》 运行时数据区
Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途，以及各自的创建和销毁时间，有的区域随虚拟机进程的启动而存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁
1. 程序计数器
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，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。
程序计数器是线程私有的，每个线程都有一个独立的程序计数器，互不影响。如果线程正在执行的是一个Java方法，则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，则计数器的值为空。
2. 虚拟机栈
虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。它描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行同都会创建一个栈帧，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。
局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型、对象引用和returnAdress类型（指向一条字节码指令的地址）。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。
在虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常情况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，会抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展，但扩展时无法申请到足够的内存，则抛出OutOfMemoryError异常。
3. 本地方法栈
与虚拟机栈的作用相似，它们之间的区别是虚拟机栈为虚拟机执行的Java方法服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。另外，与虚拟机栈一样，本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。
4. 堆
Java堆是所有线程共享的区域，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。在虚拟机规范中有描述：所有对象实例以及数组都要在堆上分配，但随着JIT编译器的发展和逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分析、标量替换优化技术将导致一些微妙的变化，并非所有的对象都会在堆上分配。
Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也称为GC堆。从内存回收角度看，现在收集器基本采用分代收集算法，所以java堆还可以细分为：新生代和老年代。再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。从内存分配角度看，线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区。不过无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好的回收内存，或者更快的分配内存。
在虚拟机规范中，java堆可以处于物理上不连续的内存空间，只要逻辑上是连续的就可以。主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的，通过-Xmx和-Xms来控制。如果在堆中没有足够内存来完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。
5. 方法区
方法区也是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。虽然虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但它有一个别名Non-Heap，目的是为了与Java堆区分开来。
对于习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序的开发者来说，很多人更愿意把方法区成为永久代，但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，这样HotSpot的垃圾收集器就可以像管理Java堆一样管理这部分内存，从而省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。
原则上，如何实现方法区属于虚拟机的实现细节，不受虚拟机规范约束，但使用永久代来实现方法区并不是一个好主意，因为更容易产生内存溢出问题，
5.1. 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，还有一项信息就是常量池，其用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的运行时常量池。
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在编译期才能产生，也就是并非预置入Class文件常量池的内容才能进入方法区的运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，例如被用的很多的String.intern()。
不过，既然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。因此，在JDK 1.7的HotSpot中，已经把原本放在永久代的字符串常量池移出。
5.2. 永久代问题
方法区：是java虚拟机规范中定义的一个概念上的区域，具体如何实现，对于实现者来说是自由的；
永久代：是HotSpot对于方法区的实现，它在内存中划出一块区域来存储类的元信息、字符串常量等数据，把它当做方法区来用。
上面提到了HotSpot使用永久代实现方法区容易出现内存异常问题，因此，JEP 122: Remove the Permanent Generation 提议取消永久代。在JDK 1.8及之后版本的HotSpot中，已经使用本地内存来实现方法区，称为元空间metaspace，而方法区作为概念上的区域仍然存在，原先永久代中类的元信息放入元空间，字符串等常量放入java堆中。
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6. 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，但是这部分内存也频繁地被使用，而且可能导致OutOfMemoryError异常。
JDK1.4中引入了NIO类，一种基于通道channel与缓冲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。
显然，本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但既然是内存，依然受到本机总内存的限制，在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常忽略直接内存，使得各内存区域总和大于物理内存限制（包括物理和系统级的限制），从而导致溢出。
参考：
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