一、概述
Java虚拟机存在自动内存管理机制，所以程序员不需要用代码去控制内存的使用，正是因为如此，程序出现内存异常问题的时候，如果不了解虚拟机是怎样使用内存的，会很难排查问题。所以，了解虚拟机的内存模型是很重要的。
二、运行时数据区域
Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把内存划分若干个不同的数据区域。这些区域有各自的用途，以及创建和销毁的时间，JVM所管理的内存包括以下几个运行时数据区域。
1. 程序计数器
程度计数器是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程执行的字节码的行号指示器。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依赖这个计数器完成。多个线程中指令的执行在一个处理器中是串行的，多个线程在切换的时候，为了能恢复到正确的执行位置，每个线程都需要一个独立的程序计数器。如果线程正在执行的是一个Java方法，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，计数器值则为空。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域。
使用 java -c 指令来将Class文件反解析出汇编码，来查看程序的指令和代码行偏移量。编写下面Java类，并编译成Class文件：
public class Main { public static void main(String[] args) { int a = 10, b = 10; int c = a + b; } }
在命令行界面运行 javap -c Main.class 输出结果如下：
Compiled from "Main.java" public class com.ajn.design.pattern.builder.Main { public com.ajn.design.pattern.builder.Main(); Code: 0: aload_0 1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V 4: return public static void main(java.lang.String[]); Code: 0: bipush 10 2: istore_1 3: bipush 10 5: istore_2 6: iload_1 7: iload_2 8: iadd 9: istore_3 10: return }
可以看到该类反解析出的汇编指令以及指令的偏移地址，程序计数器保存的值就是指令的偏移地址。
2. Java 虚拟机栈
Java虚拟机栈也是线程私有的，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：每个方法执行时会生成一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用到执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型和对象引用类型，它不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，或指向一个代表对象的句柄。
Java程序运行的时候，可以有多个线程，每个线程调用的方法就是一个栈帧，我们在使用IDEA调试程序的时候，在调试面板中看到线程（Threads）、栈帧（Frames）和局部变量（Variables）的情况。
在Java虚拟机规范中：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许深度，抛出 StackOverflowError 异常；如果虚拟机可以动态扩展，如果扩展时无法申请到足够的内存，会抛出 OutOfMemoryError 异常。
3. 本地方法栈
本地方法栈与虚拟机栈作用非常相似，区别在于本地方法栈为虚拟机使用的Native方法服务，抛出的异常也与虚拟机栈一样。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以实现它。
4. Java 堆
Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块，它是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，Java虚拟机规范中描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术的成熟，栈上分配、标量替换技术会导致一些变化。
Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也叫“GC堆”（Garbage Collected Heap），从内存回收的角度看，现在收集器基本使用分代收集算法，所以Java堆还可以细分为：Eden 区、From Survivor 区、To Survivor 区等。从内存分配的角度看，线程共享的Java堆可以划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。
根据Java虚拟机的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的。在实现时，既可以是固定大小的，也可以是扩展的，不过当前主流虚拟机都是可扩展的（通过 -Xmx 和 -Xms 控制）。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，会抛出 OutOfMemoryError 异常。
5. 方法区
方法区也是各个线程共享的内存区域，它用于存储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等数据。在HotSpot虚拟机上，很多人都把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队把GC分代收集扩展至方法区，或者是使用永久代来实现方法区而已，这样垃圾收集器就可以像管理Java堆一样管理这部分内存。
Java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或者可扩展外，还可以选择不实现垃圾收集。虽然这个区域的垃圾回收效率不大，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但这部分区域的回收确实是必要的。当方法区无法满足内存分配需求时，抛出 OutOfMemoryError 异常。
5.1 运行时常量池
运行时常量池是方法区的一部分，Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译期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。Java虚拟机对Class文件每一部分（包括常量池）的格式有严格规定，但对于运行时常量池没有做任何细节的要求。一般来说，除了保存Class文件中描述的符号引用外，还会把翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中。
运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，这种特性被开发人员利用得比较多的便是 String 类的 intern() 方法。运行时常量池是方法区的一部分，所以当常量池无法申请到内存时也会抛出 OutOfMemoryError 异常。
使用 java -v 指令来反编译Class文件信息。编写下面Java类，并编译成Class文件：
public class Main { private int a = 10; private String b = "abc"; }
在命令行界面运行 javap -v Main.class 输出结果部分如下：
public class com.ajn.design.pattern.builder.Main minor version: 0 major version: 52 flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER Constant pool: #1 = Methodref #6.#20 // java/lang/Object."<init>":()V #2 = Fieldref #5.#21 // com/ajn/design/pattern/builder/Main.a:I #3 = String #22 // abc #4 = Fieldref #5.#23 // com/ajn/design/pattern/builder/Main.b:Ljava/lang/String; #5 = Class #24 // com/ajn/design/pattern/builder/Main #6 = Class #25 // java/lang/Object #7 = Utf8 a #8 = Utf8 I #9 = Utf8 b #10 = Utf8 Ljava/lang/String; #11 = Utf8 <init> #12 = Utf8 ()V #13 = Utf8 Code #14 = Utf8 LineNumberTable #15 = Utf8 LocalVariableTable #16 = Utf8 this #17 = Utf8 Lcom/ajn/design/pattern/builder/Main; #18 = Utf8 SourceFile #19 = Utf8 Main.java #20 = NameAndType #11:#12 // "<init>":()V #21 = NameAndType #7:#8 // a:I #22 = Utf8 abc #23 = NameAndType #9:#10 // b:Ljava/lang/String; #24 = Utf8 com/ajn/design/pattern/builder/Main #25 = Utf8 java/lang/Object
根据输出内容可以看到该Class文件的版本号、常量池和已编译后的字节码（这里未列出）。
6. 直接内存
直接内存不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，但这部分内存也被频繁使用，在JDK 1.4中新加入的NIO（New Input/Output）类，引入了基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，它可以直接使用Native函数库直接分配堆外内存。本机直接内存不会受Java堆大小的限制，但会受本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。服务器管理员在配置虚拟机参数时，会根据实际内存设置 -Xmx 等参数信息，但忽略直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制，从而导致动态扩展时出现 OutOfMemoryError 异常。
三、HotSpot 虚拟机对象
1. 对象的创建
Java是一门面向对象的语言，在程序运行过程中无时无刻都有对象被创建。虚拟机在类加载检查通过后，会为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可以确定，为对象分配空间等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。
假设Java堆中内存是绝对规整的，所有用过的内存放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就是把指针向空闲空间挪动一段对象大小相等的中庸，这种方式称为“指针碰撞”（Bump the Pointer）。如果Java堆中的内存不规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，虚拟机就会维护一个列表，记录哪些内存是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大空间划分给对象实例， 并更新列表上的记录，这种分配方式称为“空闲列表”（Free List）。
选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。因此，在使用 Serial、ParNew 等带 Compact 过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，而使用 CMS 这种基于 Mark-Sweep 算法的收集器时，通常采用空闲列表。
在虚拟机中频繁创建对象，即使是修改指针的位置，在并发情况下也不是线程安全的，解决这问题有两种方案：一种是对分配内存空间的动作进行同步处理，实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；另一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），哪个线程要分配内存，就在哪个线程上的TLAB上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB时，才需要同步锁定，虚拟机是否使用TLAB，可以通过 -XX:+/-UseTLAB 参数来设定。
2. 对象的内存布局
在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局分为：对象头、实例数据和对齐填充。对象头包括两部分信息：第一部分存储对象自身的运行时数据，如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，这部分数据的长度在32位和64位虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32bit和64bit，称为“Mark Word”；另一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。如果对象是一个Java数组，对象头中还有一块用于记录数组长度的数据。
实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型字段内容，无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的，都需要记录起来。对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，仅仅起着占位符的作用，因为HotSpot虚拟机的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。
3. 对象的访问定位
对象创建完后，Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象，由于reference类型在Java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中的对象的具体位置，所以对象访问方式也是取决于虚拟机实现而定的，主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。
通过句柄访问对象，Java堆中会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的地址信息。使用直接指针访问对象，reference中存储的直接就是对象地址。
这两种对象访问方式各有优势，使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针。使用直接指针访问的最大好处就是速度更快，节省了一次指针定位的开销。
