Java 引以為豪的就是它的自動內存管理機制。相比于 C++的手動內存管理、復雜難以理解的指針等，Java 程序寫起來就方便的多。

然而這種呼之即來揮之即去的內存申請和釋放方式，自然也有它的代價。為了管理這些快速的內存申請釋放操作，就必須引入一個池子來延遲這些內存區(qū)域的回收操作。

我們常說的內存回收，就是針對這個池子的操作。我們把上面說的這個池子，叫作堆，可以暫時把它看成一個整體。

JVM 內存布局

Java 程序的數(shù)據(jù)結構是非常豐富的。其中的內容，舉一些例子：

靜態(tài)成員變

動態(tài)成員變量

區(qū)域變量

短小緊湊的對象聲明

龐大復雜的內存申請

我們先看一下 JVM 的內存布局。隨著 Java 的發(fā)展，內存布局一直在調整之中。比如，Java 8 及之后的版本，徹底移除了持久代，而使用 Metaspace 來進行替代。這也表示著 -XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 等參數(shù)調優(yōu)，已經(jīng)沒有了意義。但大體上，比較重要的內存區(qū)域是固定的。

JVM 內存區(qū)域劃分如圖所示，從圖中我們可以看出：

•  JVM 堆中的數(shù)據(jù)是共享的，是占用內存最大的一塊區(qū)域。
•  可以執(zhí)行字節(jié)碼的模塊叫作執(zhí)行引擎。
•  執(zhí)行引擎在線程切換時怎么恢復？依靠的就是程序計數(shù)器。
•  JVM 的內存劃分與多線程是息息相關的。像我們程序中運行時用到的棧，以及本地方法棧，它們的維度都是線程。
•  本地內存包含元數(shù)據(jù)區(qū)和一些直接內存。

虛擬機棧

Java 虛擬機棧是基于線程的。哪怕你只有一個 main() 方法，也是以線程的方式運行的。在線程的生命周期中，參與計算的數(shù)據(jù)會頻繁地入棧和出棧，棧的生命周期是和線程一樣的。

棧里的每條數(shù)據(jù)，就是棧幀。在每個 Java 方法被調用的時候，都會創(chuàng)建一個棧幀，并入棧。一旦完成相應的調用，則出棧。所有的棧幀都出棧后，線程也就結束了。每個棧幀，都包含四個區(qū)域：

•  局部變量表
•  操作數(shù)棧
•  動態(tài)連接
•  返回地址 

我們的應用程序，就是在不斷操作這些內存空間中完成的。

本地方法棧是和虛擬機棧非常相似的一個區(qū)域，它服務的對象是 native 方法。你甚至可以認為虛擬機棧和本地方法棧是同一個區(qū)域，這并不影響我們對 JVM 的了解。

這里有一個比較特殊的數(shù)據(jù)類型叫作 returnAdress。因為這種類型只存在于字節(jié)碼層面，所以我們平常打交道的比較少。對于 JVM 來說，程序就是存儲在方法區(qū)的字節(jié)碼指令，而 returnAddress 類型的值就是指向特定指令內存地址的指針。

•  這里有一個兩層的棧。第一層是棧幀，對應著方法；第二層是方法的執(zhí)行，對應著操作數(shù)。注意千萬不要搞混了。
•  你可以看到，所有的字節(jié)碼指令，其實都會抽象成對棧的入棧出棧操作。執(zhí)行引擎只需要傻瓜式的按順序執(zhí)行，就可以保證它的正確性。

程序計數(shù)器

既然是線程，就代表它在獲取 CPU 時間片上，是不可預知的，需要有一個地方，對線程正在運行的點位進行緩沖記錄，以便在獲取 CPU 時間片時能夠快速恢復。

程序計數(shù)器是一塊較小的內存空間，它的作用可以看作是當前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。這里面存的，就是當前線程執(zhí)行的進度。下面這張圖，能夠加深大家對這個過程的理解。

可以看到，程序計數(shù)器也是因為線程而產(chǎn)生的，與虛擬機棧配合完成計算操作。程序計數(shù)器還存儲了當前正在運行的流程，包括正在執(zhí)行的指令、跳轉、分支、循環(huán)、異常處理等。

我們可以看一下程序計數(shù)器里面的具體內容。下面這張圖，就是使用 javap 命令輸出的字節(jié)碼。大家可以看到在每個 opcode 前面，都有一個序號。就是圖中紅框中的偏移地址，你可以認為它們是程序計數(shù)器的內容。

堆 

堆是 JVM 上最大的內存區(qū)域，我們申請的幾乎所有的對象，都是在這里存儲的。我們常說的垃圾回收，操作的對象就是堆。

堆空間一般是程序啟動時，就申請了，但是并不一定會全部使用。

隨著對象的頻繁創(chuàng)建，堆空間占用的越來越多，就需要不定期的對不再使用的對象進行回收。這個在 Java 中，就叫作 GC（Garbage Collection）。

由于對象的大小不一，在長時間運行后，堆空間會被許多細小的碎片占滿，造成空間浪費。所以，僅僅銷毀對象是不夠的，還需要堆空間整理。這個過程非常的復雜。

那一個對象創(chuàng)建的時候，到底是在堆上分配，還是在棧上分配呢？這和兩個方面有關：對象的類型和在 Java 類中存在的位置。

Java 的對象可以分為基本數(shù)據(jù)類型和普通對象。

對于普通對象來說，JVM 會首先在堆上創(chuàng)建對象，然后在其他地方使用的其實是它的引用。比如，把這個引用保存在虛擬機棧的局部變量表中。

對于基本數(shù)據(jù)類型來說（byte、short、int、long、float、double、char)，有兩種情況。

我們上面提到，每個線程擁有一個虛擬機棧。當你在方法體內聲明了基本數(shù)據(jù)類型的對象，它就會在棧上直接分配。其他情況，都是在堆上分配。

注意，像 int[] 數(shù)組這樣的內容，是在堆上分配的。數(shù)組并不是基本數(shù)據(jù)類型。

這就是 JVM 的基本的內存分配策略。而堆是所有線程共享的，如果是多個線程訪問，會涉及數(shù)據(jù)同步問題。

元空間

關于元空間，我們還是以一個非常高頻的面試題開始：“為什么有 Metaspace 區(qū)域？它有什么問題？”

說到這里，你應該回想一下類與對象的區(qū)別。對象是一個活生生的個體，可以參與到程序的運行中；類更像是一個模版，定義了一系列屬性和操作。那么你可以設想一下。我們前面生成的 A.class，是放在 JVM 的哪個區(qū)域的？

想要問答這個問題，就不得不提下 Java 的歷史。在 Java 8 之前，這些類的信息是放在一個叫 Perm 區(qū)的內存里面的。更早版本，甚至 String.intern 相關的運行時常量池也放在這里。這個區(qū)域有大小限制，很容易造成 JVM 內存溢出，從而造成 JVM 崩潰。

Perm 區(qū)在 Java 8 中已經(jīng)被徹底廢除，取而代之的是 Metaspace。原來的 Perm 區(qū)是在堆上的，現(xiàn)在的元空間是在非堆上的，這是背景。關于它們的對比，可以看下這張圖。

然后，元空間的好處也是它的壞處。使用非堆可以使用操作系統(tǒng)的內存，JVM 不會再出現(xiàn)方法區(qū)的內存溢出；但是，無限制的使用會造成操作系統(tǒng)的死亡。所以，一般也會使用參數(shù) -XX:MaxMetaspaceSize 來控制大小。

方法區(qū)，作為一個概念，依然存在。它的物理存儲的容器，就是 Metaspace。現(xiàn)在，只需要了解到，這個區(qū)域存儲的內容，包括：類的信息、常量池、方法數(shù)據(jù)、方法代碼就可以了。

小結

•  我們常說的字符串常量，存放在哪呢？

由于常量池，在 Java 7 之后，放到了堆中，我們創(chuàng)建的字符串，將會在堆上分配。

•  堆、非堆、本地內存，有什么關系？

關于它們的關系，我們可以看一張圖。在我的感覺里，堆是軟綿綿的，松散而有彈性；而非堆是冰冷生硬的，內存非常緊湊。

大家都知道，JVM 在運行時，會從操作系統(tǒng)申請大塊的堆內內存，進行數(shù)據(jù)的存儲。但是，堆外內存也就是申請后操作系統(tǒng)剩余的內存，也會有部分受到 JVM 的控制。比較典型的就是一些 native 關鍵詞修飾的方法，以及對內存的申請和處理。

在 Linux 機器上，使用 top 或者 ps 命令，在大多數(shù)情況下，能夠看到 RSS 段（實際的內存占用），是大于給 JVM 分配的堆內存的。

如果你申請了一臺系統(tǒng)內存為 2GB 的主機，可能 JVM 能用的就只有 1GB，這便是一個限制。

總結

JVM 的運行時區(qū)域是棧，而存儲區(qū)域是堆。很多變量，其實在編譯期就已經(jīng)固定了。