程序运行时,内存到底是如何进行分配的?

程序运行时，内存到底是如何进行分配的？

运行时程序内存分布

一、程序计数器（Program Counter Register）

Java程序是多线程的，CPU可以在多个线程中分配执行时间片段。当某一个线程被CPU挂起时，需要记录代码已经执行到的位置，方便CPU重新执行此线程时，知道从哪行指令开始执行。这就是程序计数器的作用。实际上除了恢复线程操作之外，其它一些我们熟悉的分支操作、循环操作、跳转、异常处理等也都需要依赖这个计数器来完成。

“程序计数器”是虚拟机中一块较小的内存空间，主要用于记录当前线程执行的位置。

关于程序计数器我们还需要注意的是：

1）在Java虚拟机规范中，对程序计数器这一区域没有规定任何OutOfMemoryError情况（或许是感觉没有必要吧）。

2）程序计数器是线程私有的，每条线程内部都有一个私有程序计数器。它的生命周期随着线程的创建而创建，随着线程的结束而死亡。

3）当一个线程正在执行一个Java方法的时候，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（Undefined）

二、虚拟机栈

虚拟机栈也是线程私有的，与线程的生命周期同步。

在 Java 虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：

StackOverflowError：当线程请求栈深度超出虚拟机栈所允许的深度时抛出。

OutOfMemoryError：当 Java 虚拟机动态扩展到无法申请足够内存时抛出。

JVM 是基于栈（就是指虚拟机栈）的解释器执行的，DVM 是基于寄存器解释器执行的。

虚拟机栈的初衷是用来描述 Java 方法执行的内存模型，每个方法被执行的时候，JVM 都会在虚拟机栈中创建一个栈帧。

1. 栈帧

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，每一个线程在执行某个方法时，都会为这个方法创建一个栈帧。

我们可以这样理解：一个线程包含多个栈帧，而每个栈帧内部包含局部变量表、操作数栈、动态连接、返回地址等。如下图所示：

局部变量表

局部变量表是变量值的存储空间，我们调用方法时传递的参数，以及在方法内部创建的局部变量都保存在局部变量表中。在 Java 编译成 class 文件的时候，就会在方法的 Code 属性表中的 max_locals 数据项中，确定该方法需要分配的最大局部变量表的容量。

操作数栈

操作数栈（Operand Stack）也常称为操作栈，它是一个后入先出栈（LIFO）。

同局部变量表一样，操作数栈的最大深度也在编译的时候写入方法的 Code 属性表中的 max_stacks 数据项中。栈中的元素可以是任意Java数据类型，包括 long 和 double。

动态链接

动态链接的主要目的是为了支持方法调用过程中的动态连接（Dynamic Linking）。

在一个 class 文件中，一个方法要调用其他方法，需要将这些方法的符号引用转化为其所在内存地址中的直接引用，而符号引用存在于方法区中。

返回地址

无论当前方法采用正常退出或异常退出，在方法退出后都需要返回到方法被调用的位置，程序才能继续执行。而虚拟机栈中的“返回地址”就是用来帮助当前方法恢复它的上层方法执行状态。一般来说，方法正常退出时，调用者的 PC 计数值可以作为返回地址，栈帧中可能保存此计数值。而方法异常退出时，返回地址是通过异常处理器表确定的，栈帧中一般不会保存此部分信息。

三、本地方法栈

本地方法栈和上面介绍的虚拟栈基本相同，只不过是针对本地（native）方法。在开发中如果涉及 JNI 可能接触本地方法栈多一些，在有些虚拟机的实现中已经将两个合二为一了（比如HotSpot）。

四、堆

Java堆（Heap）是JVM所管理的内存中最大的一块，该区域唯一目的就是存放对象实例，几乎所有对象的实例都在堆里面分配，因此它也是Java垃圾收集器（GC）管理的主要区域，有时候也叫作“GC堆”。同时它也是所有线程共享的内存区域，因此被分配在此区域的对象如果被多个线程访问的话，需要考虑线程安全问题。

按照对象存储时间的不同，堆中的内存可以划分为新生代（Young）和老年代（Old），其中新生代又被划分为 Eden 和 Survivor 区。具体如下图所示：

图中不同的区域存放具有不同生命周期的对象。这样可以根据不同的区域使用不同的垃圾回收算法，从而更具有针对性，进而提高垃圾回收效率。

五、方法区

方法区（MethodArea）也是JVM规范里规定的一块运行时数据区。方法区主要是存储已经被JVM加载的类信息（版本、字段、方法、接口）、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码和数据。该区域同堆一样，也是被各个线程共享的内存区域。

注意：关于方法区，很多开发者会将其跟“永久区”混淆。所以我们在这里对这两个概念进行一下对比：

方法区是 JVM 规范中规定的一块区域，但是并不是实际实现，切忌将规范跟实现混为一谈。不同的 JVM 厂商可以有不同版本的“方法区”的实现。

HotSpot在JDK1.7以前使用“永久区”（或者叫Perm区）来实现方法区，在JDK1.8之后“永久区”就已经被移除了，取而代之的是一个叫作“元空间（metaspace）”的实现方式。

总结一下就是：

方法区是规范层面的东西，规定了这一个区域要存放哪些数据。

永久区或者是 metaspace 是对方法区的不同实现，是实现层面的东西。

异常再现

StackOverflowError 栈溢出异常

递归调用是造成StackOverflowError的一个常见场景，比如以下代码：

在method方法中，递归调用了自身，并且没有设置递归结束条件。运行上述代码时，则会产生StackOverflowError。

原因就是每调用一次method方法时，都会在虚拟机栈中创建出一个栈帧。因为是递归调用，method方法并不会退出，也不会将栈帧销毁，所以必然会导致StackOverflowError。因此当需要使用递归时，需要格外谨慎

OutOfMemoryError 内存溢出异常

理论上，虚拟机栈、堆、方法区都有发生OutOfMemoryError的可能。但是实际项目中，大多发生于堆当中。比如以下代码：

在一个无限循环中，动态的向ArrayList中添加新的HeapError对象。这会不断的占用堆中的内存，当堆内存不够时，必然会产生OutOfMemoryError，也就是内存溢出异常。

总结

对于 JVM 运行时内存布局，我们需要始终记住一点：上面介绍的这 5 块内容都是在 Java 虚拟机规范中定义的规则，这些规则只是描述了各个区域是负责做什么事情、存储什么样的数据、如何处理异常、是否允许线程间共享等。千万不要将它们理解为虚拟机的“具体实现”，虚拟机的具体实现有很多，比如Sun公司的HotSpot、JRocket、IBMJ9、以及我们非常熟悉的AndroidDalvik和ART等。这些具体实现在符合上面5种运行时数据区的前提下，又各自有不同的实现方式。