一文彻底搞懂JVM内存结构

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1. JVM内存结构

JVM在执行程序的过程中会将内存划分为五个不同的数据区域：虚拟机栈、本地方法栈、方法区、堆、程序计数器。
JVM五个区中虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器为线程私有，方法区和堆为线程共享区。JVM不同区域的占用内存大小不同，一般情况下堆最大，用来存放”对象“，程序计数器较小。

2. 堆内存（Heap Memory）

• 堆的GC操作采用分代收集算法
• 堆区分了新生代和老年代
• 新生代又分为：Eden空间、From Survivor（S0）空间、To Survivor（S1）空间

Java虚拟机规范规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可。也就是说堆的内存是一块块拼凑起来的。要增加堆空间时，往上“拼凑”（可扩展性）即可，但当堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

3. 方法区（Method Area）/元空间（Metaspace）

4. 虚拟机栈（VM Stack）

每个线程在执行 Java 方法时都会创建一个对应的虚拟机栈，用于存储局部变量、方法参数、方法返回地址等信息。虚拟机栈会随着方法的调用和返回而动态地进行压栈和出栈操作。

虚拟机栈线程私有，生命周期与线程相同。

栈帧(Stack Frame)是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构。栈帧存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态连接和方法返回地址等信息。每一个方法从调用至执行完成的过程，都对应着一个栈帧在虚拟机栈里从入栈到出栈的过程。

• 局部变量表(Local Variable Table)：是一组变量值存储空间，用于存放方法参数和方法内定义的局部变量。包括8种基本数据类型、对象引用（reference类型）和returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）。
  其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1个。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；如果虚拟机栈动态扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。
  
• 操作数栈(Operand Stack)：也称作操作栈，是一个后入先出栈(LIFO)。随着方法执行和字节码指令的执行，会从局部变量表或对象实例的字段中复制常量或变量写入到操作数栈，再随着计算的进行将栈中元素出栈到局部变量表或者返回给方法调用者，也就是出栈/入栈操作。
• 动态链接：Java虚拟机栈中，每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈所属方法的符号引用，持有这个引用的目的是为了支持方法调用过程中的动态链接(Dynamic Linking)。
• 方法返回：无论方法是否正常完成，都需要返回到方法被调用的位置，程序才能继续进行。

5. 程序计数器（Program Counter Register）

程序计数器占用内存较小，现成私有。它是唯一没有OutOfMemoryError异常的区域。

程序计数器的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器，字节码解释器工作时就是通过改变计数器的值来选取下一条字节码指令。其中，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖计数器来完成。

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）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，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

6. 本地方法栈（Native Method Stack）

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈作用相似，也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。区别在于虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（字节码）服务，而本地方法栈是为虚拟机使用到的Native方法服务。