JVM 内存到底分了哪几块——我的学习笔记-平芜编程栈

说在前面：我是一个刚接触 JVM 的新手。这篇文章是我在啃资料、看视频、反复问自己"这个玩意儿到底有什么用"之后，整理出来的笔记。我不会说这个很简单——因为对我真不简单。如果你也是刚开始学，希望能帮到你。

我是怎么开始学这个的

事情是这样的。之前写 Java 代码，遇到过一个报错叫OutOfMemoryError: Java heap space，我当时看了两眼一黑，只知道"哦，内存不够了"。但是内存不够了为什么会是这个报错，为什么有的报错叫StackOverflowError有的叫Metaspace，我完全不知道。

后来跟朋友聊，他说你先不要管报错，你先搞清楚 JVM 把内存分成了哪几块。

好，我就从这个开始学。

JVM 把内存分成了五块（JDK 8）

我先说结论，然后再一块一块说。

JDK 8 里面，JVM 运行时内存分成了五个区域：

程序计数器（Program Counter Register）
Java 虚拟机栈（JVM Stack）
本地方法栈（Native Method Stack）
Java 堆（Heap）
元空间（Metaspace）

还有一个叫直接内存（Direct Memory），这个不属于 JVM 管，但也算内存的一部分，后面会提。

乍一看五个名字挺吓人的，但别怕，我一个一个拆开讲。

程序计数器——最小的一块，也是唯一不会溢出的地方

这个东西的名字听着很厉害，其实它的功能挺简单：记录当前线程执行到哪一行字节码了。

你可以把它理解成你看书的时候手里夹的那张书签。你读的是哪一页、哪一行，书签帮你记着。线程也一样，CPU 把它的时间片切走了，它要去干别的线程，等切回来的时候，程序计数器帮它找到刚才读到哪儿了。

有两个点我觉得有意思：

如果执行的是Native 方法（也就是本地方法，比如 C 写的代码），程序计数器的值是undefined。因为 native 方法走的是本地指令，不是 JVM 的字节码，没法用这个计数器来记。
它是 JVM 五大区域里唯一不会发生 OutOfMemoryError的地方。规范里就没给它留这个异常。

为什么它是线程私有的？因为每个线程各读各的代码，各走各的执行路径。如果共用一个计数器，切换回来就不知道切到谁那儿了。所以每个线程自己管自己的。

Java 虚拟机栈——和方法调用关系最密切的一块

栈在数据结构里是什么意思大家应该知道——先进后出。Java 虚拟机栈也是一样。每个方法被调用的时候，会往栈里压入一个"栈帧"（Stack Frame），方法执行完，栈帧弹出。

一个栈帧里面装的东西包括：

局部变量表：方法里定义的局部变量就放这儿
操作数栈：做运算的时候临时放数据的地方
动态链接：涉及到多态、方法调用时用到的符号引用转直接引用
方法出口：方法执行完了之后返回到哪儿去

我当时学到这里脑子里冒出的第一个问题是：那这个栈到底多大？

答案是不确定。取决于 JVM 的参数设置（-Xss）。但不管设置多大，如果方法调用的层数太深，比如无限递归，栈深度就超过上限了，会抛StackOverflowError。

还有一种是栈扩展的时候没成功，抛OutOfMemoryError。这个场景比较少见，一般是线程数量太多导致的。

这也是线程私有的——每个线程有自己的虚拟机栈。

本地方法栈——和上面那个差不多，但不是一回事

Java 虚拟机栈是为 Java 方法服务的。那如果调了一个 native 方法呢？走的不是 Java 的字节码，不能走 Java 虚拟机栈——所以单独搞了一个本地方法栈。

不过 HotSpot 虚拟机（就是我们最常用的那个 Oracle JDK 和 OpenJDK 带的虚拟机）里面，本地方法栈和 Java 虚拟机栈合并到一起了。所以实际用的时候感受不到是两个。

同样可能抛StackOverflowError和OutOfMemoryError。

Java 堆——最大的一块，也是 GC 最忙的地方

堆是 JVM 里最大的一块内存。所有的对象实例和数组都在这里分配。

它是线程共享的，JVM 启动的时候就创建好了。

堆里面还被划分成了几个子区域（为了垃圾回收效率优化）：

新生代（Young Generation）：里面又分三个部分——一个 Eden 区、两个 Survivor 区（S0 和 S1）
老年代（Old Generation / Tenured Generation）

我刚学到这里的时候很不理解：为什么堆还要分这么多区域？后来知道这是为了"分代回收"——大部分对象活不了多久就死了（比如循环里 new 的对象），新生代回收频率高但快；少部分对象命硬，会晋升到老年代，回收频率低。这是一种典型的"二八定律"思路。

堆不够用的时候抛的异常大家都眼熟：OutOfMemoryError: Java heap space。

元空间（Metaspace）——取代了方法区的新东西

先说方法区（Method Area）是什么。

方法区是 JVM 规范里的一个逻辑区域，用来存放：

已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缓存

这个区虽然是堆的逻辑组成部分，但有个别名叫"非堆"（Non-Heap）。所以它虽然是"堆的概念"但不算"堆的实体"。

在 JDK 8 之前，方法区的实现叫永久代（PermGen），在 JVM 堆里面。

到 JDK 8，永久代被干掉了，换成了元空间（Metaspace）。关键的区别是：元空间使用了本地内存，不再是 JVM 堆的一部分了。这意味着它的大小不再受 JVM 堆大小的限制，而是受本机物理内存的限制。

元空间不够用的时候抛OutOfMemoryError: Metaspace。

运行时常量池——方法区的一部分

常量池这个词可能你在反编译 class 文件的时候见过。编译器把类里的字面量（比如字符串常量 “hello”、final 常量等）和符号引用（类名、方法名、字段名的引用）放到这个池子里。

运行时常量池就是这些信息在运行时的存放位置，是方法区的一部分。

还有一个特点：动态性。不是只有编译期生成的东西才能放进去。你在代码里调String.intern()，也可以在运行时把字符串扔到常量池里。

内存不够的时候也会抛 OutOfMemoryError。

直接内存——不属于 JVM，但 JVM 可以操作

直接内存是操作系统的本地内存，不归 JVM 管。

那它跟 JVM 有什么关系？Java 里有一个 NIO（New I/O）的 API，可以通过ByteBuffer.allocateDirect()分配一块堆外内存。这块内存的好处是：在进行 I/O 操作（比如读写文件、网络通信）时，数据不用在堆内存和本地内存之间来回拷贝，性能好很多。

很多高性能框架比如Netty就是基于这个原理做优化的。

但是——它是本地内存，所以也受物理内存上限的限制。用得不好也会报OutOfMemoryError: Direct buffer memory。

五种内存溢出，一张表总结

学完之后我把五种溢出情况整理了一下：

溢出区域	异常信息	常见原因
堆溢出	`Java heap space`	new 大对象、内存泄漏、GC 回收不掉
栈溢出	`StackOverflowError`/`OutOfMemoryError`	递归太深、线程开太多
元空间溢出	`Metaspace`	加载类太多、动态类生成、CGLIB 等
直接内存溢出	`Direct buffer memory`	direct buffer 没回收、一直分配