JVM运行时数据区域名词解释

运行时数据区域，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户，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动儿存在，有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规范(JavaSE 7版)》的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域，如下图所示。


解释：
程序计数器：
   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执行的字节码行号指示器。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。
   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。
   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。该区域没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

Java虚拟机栈
   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。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）用于存放局部变量表、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中入栈到出栈的过程。
    经常有人把Java内存区分为堆内存和栈内存，这种分法比较粗糙，Java内存区域的划分实际上远比这复杂。这种划分方式的流行只能说明大多数程序员最关注的、对对象内存分配最密切的内存区域是这两块。
    局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean，byte，short，char，int，long，float，double），对象引用（可能指向对象，也可能指向对象起始地址的引用指针）和一条字节码指令的地址。其中64位的long和double类型的数据会占用2个局部变量表空间（Slot），其余的数据类型只占用一个。局部变量表的内存空间在编译期完成分配，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变量表的大小。
    在Java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允许的深度，将抛出StackOverflowError；如果虚拟机栈可以动态扩展，但是扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError。

本地方法栈
    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方法服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOveFlowError和OutOfMemoryError。

Java堆
    对于大多数应用来说，Java堆是JVM管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域。此区域主要用于存放对象实例和数组。
    但是根据Java虚拟机规范中的描述是：所有的对象以及数组都要在堆上分配内存，但是随着jit编译器的发展和逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所以一切对象都在堆上分配也就不那么绝对了。
    Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称为GC堆（Garbage Collected Heap）。从内存回收的角度来看，现在的收集器都是采用分代收集算法，Java堆中可以分为新生代（Eden）、中生代（From Survivor）和老生代（To Survivor）等。Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。不过不论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好的回收或者分配内存。
    一般情况，我们可以通过调整-Xmx和Xms来调整堆的初始大小和最大值。
    如果堆内存超出限制，那么虚拟机会抛出OutOfMemoryError。

方法区
    方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已经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。有时候也可以把方法区称为永久代。
    根据Java虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时的，会抛出OutOfMemoryError。

运行时常量池
    运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法和接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译器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中存放。
    扩展：
    符号引用：
    在java中，一个java类将会编译成一个class文件。在编译时，java类并不知道引用类的实际内存地址，因此只能使用符号引用来代替。比如org.simple.People类引用org.simple.Tool类，在编译时People类并不知道Tool类的实际内存地址，因此只能使用符号org.simple.Tool(假设)来表示Tool类的地址。而在类装载器装载People类时，此时可以通过虚拟机获取Tool类 的实际内存地址，因此便可以既将符号org.simple.Tool替换为Tool类的实际内存地址，及直接引用地址。
    String.intern()方法可以在运行期将新的字符串放入常量池。

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，并且可能导致OutOfMemoryError异常出现。
    JDK1.4中新加入了NIO类，引入了一种基于通道（Channel）和缓冲区（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对和Native堆中来回复制数据。
    直接内存不受Java堆大小的限制，但是会受到物理机总内存（包括RAM以及SWAP区或者分页文件）大小和处理器寻址空间的限制。也会跟堆大小，方法区大小有关，因为物理内存是有限的，如果堆内存分配空间过大，就会导致直接内存分配空间不足。


参考资料：
《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》 周志明著