1.1 JVM運行
ClassLoader->RUNNTIME DATA AREA->EXECUTION ENGINE->NATIVE INTERFACE->NATIVE LIBRARIES
Class Loader:負責加載類到內(nèi)存
RUNNTIME DATA AREA:負責
EXECUTION ENGINE: 解釋器Interpreter,負責解釋命令，提交到操作系統(tǒng)
NATIVE INTERFACE: 在NATIVE METHOD STATCK中登記NATIVE方法，在Executive Engine執(zhí)行時加載native libraies.
CLassLoader
類加載器的作用是加載類文件到內(nèi)存，比如編寫一個HelloWord.java程序，然后通過javac編譯成class文件，那怎么才能加載到內(nèi)存中被執(zhí)行呢？Class Loader承擔的就是這個責任，那不可能隨便建立一個.class文件就能被加載的，Class Loader加載的class文件是有格式要求，在《JVM Specification》中式這樣定義Class文件的結(jié)構(gòu)：
ClassFile {
u4 magic;
u2 minor_version;
u2 major_version;
u2 constant_pool_count;
cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];
u2 access_flags;
u2 this_class;
u2 super_class;
u2 interfaces_count;
u2 interfaces[interfaces_count];
u2 fields_count;
field_info fields[fields_count];
u2 methods_count;
method_info methods[methods_count];
u2 attributes_count;
attribute_info attributes[attributes_count];
}
需要詳細了解的話，可以仔細閱讀《JVM Specification》的第四章“The class File Format”，這里不再詳細說明。
友情提示：Class Loader只管加載，只要符合文件結(jié)構(gòu)就加載，至于說能不能運行，則不是它負責的，那是由Execution Engine負責的。
Execution Engine 執(zhí)行引擎
執(zhí)行引擎也叫做解釋器(Interpreter)，負責解釋命令，提交操作系統(tǒng)執(zhí)行。
Native Interface本地接口
本地接口的作用是融合不同的編程語言為Java所用，它的初衷是融合C/C++程序，Java誕生的時候是C/C++橫行的時候，要想立足，必須有一個聰明的、睿智的調(diào)用C/C++程序，于是就在內(nèi)存中專門開辟了一塊區(qū)域處理標記為native的代碼，它的具體做法是Native Method Stack中登記native方法，在Execution Engine執(zhí)行時加載native libraies。目前該方法使用的是越來越少了，除非是與硬件有關(guān)的應用，比如通過Java程序驅(qū)動打印機，或者Java系統(tǒng)管理生產(chǎn)設備，在企業(yè)級應用中已經(jīng)比較少見，因為現(xiàn)在的異構(gòu)領(lǐng)域間的通信很發(fā)達，比如可以使用Socket通信，也可以使用Web Service等等，不多做介紹。
在NATIVE METHOD STATCK中登記NATIVE方法，在Executive Engine執(zhí)行時加載native libraies.
1.2 RUNTIME AREA
運行數(shù)據(jù)區(qū)是整個JVM的重點。我們所有寫的程序都被加載到這里，之后才開始運行，Java生態(tài)系統(tǒng)如此的繁榮，得益于該區(qū)域的優(yōu)良自治。
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| PROGEAM COUNTER REGISTER | 線程私有、指向下一條要很執(zhí)行的指令 |
| JAVA STACK | 線程私有、存儲局部變量表、操作棧、動態(tài)鏈接、方法出口 |
| NATIVE METHOD STACK | 為虛擬機使用到的Native 方法服務 |
| HEAP | 線程共享 所有的對象實例以及數(shù)組都要在堆上分配 回收器主要管理的對象 |
| MEATHOD AREA | 線程共享的內(nèi)存區(qū)域 非堆主要區(qū)域 存儲類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼 |
1.2.1 程序計數(shù)器
程序計數(shù)器（Program Counter Register）是一塊較小的內(nèi)存空間，它的作用可以看做是當前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。在虛擬機的概念模型里（僅是概念模型，各種虛擬機可能會通過一些更高效的方式去實現(xiàn)），字節(jié)碼解釋器工作時就是通過改變這個計數(shù)器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復等基礎功能都需要依賴這個計數(shù)器來完成。
由于Java 虛擬機的多線程是通過線程輪流切換并分配處理器執(zhí)行時間的方式來實現(xiàn)
的，在任何一個確定的時刻，一個處理器（對于多核處理器來說是一個內(nèi)核）只會執(zhí)行
一條線程中的指令。因此，為了線程切換后能恢復到正確的執(zhí)行位置，每條線程都需要
有一個獨立的程序計數(shù)器，各條線程之間的計數(shù)器互不影響，獨立存儲，我們稱這類內(nèi)
存區(qū)域為“線程私有”的內(nèi)存。
如果線程正在執(zhí)行的是一個Java 方法，這個計數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機字節(jié)
碼指令的地址；如果正在執(zhí)行的是Natvie 方法，這個計數(shù)器值則為空（Undefined）。此
內(nèi)存區(qū)域是唯一一個在Java 虛擬機規(guī)范中沒有規(guī)定任何OutOfMemoryError 情況的區(qū)域。
1.2.2 棧
與程序計數(shù)器一樣，Java 虛擬機棧（Java Virtual Machine Stacks）也是線程私有的，
它的生命周期與線程相同。虛擬機棧描述的是Java 方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個方法被執(zhí)
行的時候都會同時創(chuàng)建一個棧幀（Stack Frame①）用于存儲局部變量表、操作棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息。
每一個方法被調(diào)用直至執(zhí)行完成的過程，就對應著一個棧幀在虛擬機棧中從入棧到出棧的過程。
經(jīng)常有人把Java 內(nèi)存區(qū)分為堆內(nèi)存（Heap）和棧內(nèi)存（Stack），這種分法比較粗
糙，Java 內(nèi)存區(qū)域的劃分實際上遠比這復雜。這種劃分方式的流行只能說明大多數(shù)程序
員最關(guān)注的、與對象內(nèi)存分配關(guān)系最密切的內(nèi)存區(qū)域是這兩塊。
其中所指的“堆”在后面會專門講述，而所指的“棧”就是現(xiàn)在講的虛擬機棧，或者說是虛擬機棧中的局部變量表部分。
局部變量表存放了編譯期可知的各種基本數(shù)據(jù)類型（boolean、byte、char、short、int、
float、long、double）、對象引用（reference 類型，它
不等同于對象本身，根據(jù)不同的虛擬機實現(xiàn)，它可能是一個指向?qū)ο笃鹗嫉刂返囊弥羔?，也可能指向一個代表對象的句柄或者其他與此對象相關(guān)的位置）和returnAddress 類型（指向了一條字節(jié)碼指令的地址）。
其中64 位長度的long 和double 類型的數(shù)據(jù)會占用2 個局部變量空間（Slot），其余
的數(shù)據(jù)類型只占用1 個。
局部變量表所需的內(nèi)存空間在編譯期間完成分配，當進入一個方法時，這個方法需要在幀中分配多大的局部變量空間是完全確定的，在方法運行期間不會改變局部變量表的大小。
在Java 虛擬機規(guī)范中，對這個區(qū)域規(guī)定了兩種異常狀況：如果線程請求的棧深度大
于虛擬機所允許的深度，將拋出StackOverflowError 異常；如果虛擬機棧可以動態(tài)擴展
（當前大部分的Java 虛擬機都可動態(tài)擴展，只不過Java 虛擬機規(guī)范中也允許固定長度的
虛擬機棧），當擴展時無法申請到足夠的內(nèi)存時會拋出OutOfMemoryError 異常。
1.2.3 本地方法棧
本地方法棧（Native Method Stacks）與虛擬機棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，其
區(qū)別不過是虛擬機棧為虛擬機執(zhí)行Java 方法（也就是字節(jié)碼）服務，而本地方法棧則
是為虛擬機使用到的Native 方法服務。虛擬機規(guī)范中對本地方法棧中的方法使用的語
言、使用方式與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并沒有強制規(guī)定，因此具體的虛擬機可以自由實現(xiàn)它。甚至
有的虛擬機（譬如Sun HotSpot 虛擬機）直接就把本地方法棧和虛擬機棧合二為一。
與虛擬機棧一樣，本地方法棧區(qū)域也會拋出StackOverflowError 和OutOfMemoryError
異常。
1.2.4 Java 堆
對于大多數(shù)應用來說，Java 堆（Java Heap）是Java 虛擬機所管理的內(nèi)存中最大的
一塊。
Java 堆是被所有線程共享的一塊內(nèi)存區(qū)域，在虛擬機啟動時創(chuàng)建。此內(nèi)存區(qū)域的
唯一目的就是存放對象實例，幾乎所有的對象實例都在這里分配內(nèi)存。這一點在Java 虛
擬機規(guī)范中的描述是：所有的對象實例以及數(shù)組都要在堆上分配，但是隨著JIT 編譯器
的發(fā)展與逃逸分析技術(shù)的逐漸成熟，棧上分配、標量替換優(yōu)化技術(shù)將會導致一些微妙
的變化發(fā)生，所有的對象都分配在堆上也漸漸變得不是那么“絕對”了。
Java 堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此很多時候也被稱做“GC 堆”（Garbage
Collected Heap，幸好國內(nèi)沒翻譯成“垃圾堆”）。如果從內(nèi)存回收的角度看，由于現(xiàn)在
收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java 堆中還可以細分為：新生代和老年代；
再細致一點的有Eden 空間、From Survivor 空間、To Survivor 空間等。
如果從內(nèi)存分配的角度看，線程共享的Java 堆中可能劃分出多個線程私有的分配緩沖區(qū)（Thread LocalAllocation Buffer，TLAB）。不過，無論如何劃分，都與存放內(nèi)容無關(guān)，無論哪個區(qū)域，存儲的都仍然是對象實例，進一步劃分的目的是為了更好地回收內(nèi)存，或者更快地分配內(nèi)存。
根據(jù)Java 虛擬機規(guī)范的規(guī)定，Java 堆可以處于物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間中，只要
邏輯上是連續(xù)的即可，就像我們的磁盤空間一樣。在實現(xiàn)時，既可以實現(xiàn)成固定大小
的，也可以是可擴展的，不過當前主流的虛擬機都是按照可擴展來實現(xiàn)的（通過-Xmx
和-Xms 控制）。如果在堆中沒有內(nèi)存完成實例分配，并且堆也無法再擴展時，將會拋出
OutOfMemoryError 異常。
1.2.5 方法區(qū)
方法區(qū)（Method Area）與Java 堆一樣，是各個線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它用于存
儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。雖
然Java 虛擬機規(guī)范把方法區(qū)描述為堆的一個邏輯部分，但是它卻有一個別名叫做Non-
Heap（非堆），目的應該是與Java 堆區(qū)分開來。
對于習慣在HotSpot 虛擬機上開發(fā)和部署程序的開發(fā)者來說，很多人愿意把方法區(qū)
稱為“永久代”（Permanent Generation），本質(zhì)上兩者并不等價，僅僅是因為HotSpot 虛
擬機的設計團隊選擇把GC 分代收集擴展至方法區(qū)，或者說使用永久代來實現(xiàn)方法區(qū)而
已。對于其他虛擬機（如BEA JRockit、IBM J9 等）來說是不存在永久代的概念的。即
使是HotSpot 虛擬機本身，根據(jù)官方發(fā)布的路線圖信息，現(xiàn)在也有放棄永久代并“搬家”
至Native Memory 來實現(xiàn)方法區(qū)的規(guī)劃了。
Java 虛擬機規(guī)范對這個區(qū)域的限制非常寬松，除了和Java 堆一樣不需要連續(xù)的內(nèi)
存和可以選擇固定大小或者可擴展外，還可以選擇不實現(xiàn)垃圾收集。相對而言，垃圾
收集行為在這個區(qū)域是比較少出現(xiàn)的，但并非數(shù)據(jù)進入了方法區(qū)就如永久代的名字一
樣“永久”存在了。這個區(qū)域的內(nèi)存回收目標主要是針對常量池的回收和對類型的卸
載，一般來說這個區(qū)域的回收“成績”比較難以令人滿意，尤其是類型的卸載，條件
相當苛刻，但是這部分區(qū)域的回收確實是有必要的。在Sun 公司的BUG 列表中，曾出
現(xiàn)過的若干個嚴重的BUG 就是由于低版本的HotSpot 虛擬機對此區(qū)域未完全回收而導
致內(nèi)存泄漏。
根據(jù)Java 虛擬機規(guī)范的規(guī)定， 當方法區(qū)無法滿足內(nèi)存分配需求時， 將拋出
OutOfMemoryError 異常。
1.2.6 運行時常量池
運行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區(qū)的一部分。Class 文件中除了有
類的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，還有一項信息是常量池（Constant Pool
Table），用于存放編譯期生成的各種字面量和符號引用，這部分內(nèi)容將在類加載后存放
到方法區(qū)的運行時常量池中。
Java 虛擬機對Class 文件的每一部分（自然也包括常量池）的格式都有嚴格的規(guī)
定，每一個字節(jié)用于存儲哪種數(shù)據(jù)都必須符合規(guī)范上的要求，這樣才會被虛擬機認可、
裝載和執(zhí)行。但對于運行時常量池，Java 虛擬機規(guī)范沒有做任何細節(jié)的要求，不同的
提供商實現(xiàn)的虛擬機可以按照自己的需要來實現(xiàn)這個內(nèi)存區(qū)域。不過，一般來說，除
了保存Class 文件中描述的符號引用外，還會把翻譯出來的直接引用也存儲在運行時常
量池中。
運行時常量池相對于Class 文件常量池的另外一個重要特征是具備動態(tài)性，Java 語
言并不要求常量一定只能在編譯期產(chǎn)生，也就是并非預置入Class 文件中常量池的內(nèi)容
才能進入方法區(qū)運行時常量池，運行期間也可能將新的常量放入池中，這種特性被開發(fā)
人員利用得比較多的便是String 類的intern() 方法。
既然運行時常量池是方法區(qū)的一部分，自然會受到方法區(qū)內(nèi)存的限制，當常量池無
法再申請到內(nèi)存時會拋出OutOfMemoryError 異常
1.2.7 直接內(nèi)存
直接內(nèi)存（Direct Memory）并不是虛擬機運行時數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，也不是Java
虛擬機規(guī)范中定義的內(nèi)存區(qū)域，但是這部分內(nèi)存也被頻繁地使用，而且也可能導致
OutOfMemoryError 異常出現(xiàn)，所以我們放到這里一起講解。
在JDK 1.4 中新加入了NIO（New Input/Output）類，引入了一種基于通道（Channel）
與緩沖區(qū)（Buffer）的I/O 方式，它可以使用Native 函數(shù)庫直接分配堆外內(nèi)存，然
后通過一個存儲在Java 堆里面的DirectByteBuffer 對象作為這塊內(nèi)存的引用進行
操作。這樣能在一些場景中顯著提高性能，因為避免了在Java 堆和Native 堆中來
回復制數(shù)據(jù)。
顯然，本機直接內(nèi)存的分配不會受到Java 堆大小的限制，但是，既然是內(nèi)存，則
肯定還是會受到本機總內(nèi)存（包括RAM 及SWAP 區(qū)或者分頁文件）的大小及處理器
尋址空間的限制。服務器管理員配置虛擬機參數(shù)時，一般會根據(jù)實際內(nèi)存設置-Xmx
等參數(shù)信息，但經(jīng)常會忽略掉直接內(nèi)存，使得各個內(nèi)存區(qū)域的總和大于物理內(nèi)存限制
（包括物理上的和操作系統(tǒng)級的限制），從而導致動態(tài)擴展時出現(xiàn)OutOfMemoryError
異常。
好了，到現(xiàn)在為止，我們已經(jīng)弄明白了JVM的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，下一章將對堆內(nèi)存進行深入的學習。