Java和C++的区别，体现在自动内存分配和垃圾收集技术。

JVM在执行Java程序时，会将它管理的内存分为若干个不同的数据区域。

这些区域有各自的作用范围以及生命周期：

• 线程私有的区域，随着用户线程的启动和结束而建立和销毁。
• 线程共享的区域，随着虚拟机进程的启动而一直存在，JVM结束后销毁。

1、程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，可以看做当前线程执行的字节码的行号指示器。是线程私有的。

JVM的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。它是程序控制流的指示器。

1、为什么PC是线程私有的

首先，这个东西必须存在，因为肯定要记录下一条执行的指令是什么。

如果把这个东西做成线程共享的，那它的含义就是，当前正在执行的这个线程，下一条要执行的指令的地址

那么如果要发生线程上下文切换，新的线程必须告诉JVM，它的下一条指令的地址，同时，被切换走的那个线程也要保存它的下一条指令的地址

因此，为了线程切换后能恢复到上次执行的位置，就必须有线程私有的程序计数器。

2、PC的值

• 如果线程执行的是一个Java方法，PC记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址。
• 如果线程执行的是一个Native方法，PC的值为空。

PC这块内存区域，是唯一一个没有规定任何 OutOfMemoryError 情况的区域，永远不会发生内存溢出。

3、PC的作用

它的效果就是保存了下一条要执行的字节码指令地址，但是有两个作用：

• 在本线程内：JVM的字节码解释器通过程序计数器来读取指令，所以PC可以进行程序的流程控制，比如顺序、循环、分支
• 在多线程的情况下：程序计数器用于记录每个线程执行的位置，从而当线程被切换回来的时候能够得知该运行哪一条指令

2、虚拟机栈

虚拟机栈（VM Stack）也是线程私有的。

虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：

• 每个方法被执行时，JVM都会同步创建一个栈帧（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。
• 每个方法被调用直到执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

局部变量表

通常说的，JVM中的“栈内存”，指的就是此处的虚拟机栈，或专指虚拟机栈中局部变量表部分。

局部变量表存放了编译期可知的局部变量的内容，包括基本类型和对象引用、returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）

局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配。局部变量表的基本存储单位是“局部变量槽（Slot）”。

进入一个方法时，这个方法需要多大的局部变量空间是完全确定的（槽数确定），在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

这个内存区域存在两类异常：

• StackOverflowError：线程请求的栈深度大于虚拟机允许的深度

• OutOfMemoryError：线程申请栈空间失败，内存不够。

  （HotSpot不支持栈容量动态扩展，只要线程申请栈空间成功就不会在运行过程中发生OOM）

3、本地方法栈

作用和虚拟机栈类似，不过虚拟机栈是为Java方法服务的，而本地方法栈是为Native方法服务的。

这部分没有强制规定，HotSpot虚拟机直接把虚拟机栈和本地方法栈合二为一了。

4、堆

堆（Heap）是JVM管理内存中最大的一块，被所有线程共享，在虚拟机启动时创建。

堆的唯一目的就是存放对象实例，大多数对象实例都存在这里。

堆是垃圾收集器管理的内存区域，所以也被叫做“GC堆”（垃圾堆）。

堆占用的内存空间是可以扩展的，用这两个参数设定：

-Xmx // 设置最大内存
-Xms // 设置最小内存

如果堆的内存不足（堆上没有空间进行实例分配，且无法往大扩展），就会抛出 OutOfMemoryError 异常。

1、堆内存是怎么细分的

堆中可以细分为新生代和老年代，其中新生代又分为Eden区、From Survivor区、To Survivor区，默认比例是8:1:1，可以调整。

5、方法区

方法区（Method Area）也是线程共享的。

它用于存储已经被虚拟机加载的类型信息、常量、类的静态变量、JIT 即时编译器编译后的代码缓存等数据。

方法区属于堆的一个逻辑部分，但要和堆区分开理解。

1、方法区的具体实现

并未规定具体实现方式，可以由虚拟机自行实现。

在JDK 8以前，HotSpot选择使用“永久代”实现方法区，这样可以让垃圾回收器也管理这部分内存，不用专门为这个空间写一个垃圾回收策略。但这样也有弊端，使得更容易发生内存溢出，因为永久代有内存上限。

在JDK 6时，已经放弃使用永久代，逐步改为使用“本地内存”来实现方法区。

在JDK 7，已经把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移出

到了JDK 8，完全废弃了永久代的概念，把内容全部移到了“元空间”中。

垃圾回收行为在方法区比较少见。但如果方法区内存不足，也会抛出 OutOfMemoryError 异常。

比如频繁使用动态代理创建出一堆类型，就会占据方法区内存

2、方法区和永久代的关系

《Java 虚拟机规范》只是规定了有方法区这么个概念和它的作用，并没有规定如何去实现它。

永久代就是HtoSpot对方法区的一种实现，其他虚拟机中是没有永久代的。

3、为什么要舍弃永久代，使用元空间

• 永久代有内存上限，由JVM管理，无法进行调整，容易发生内存溢出。元空间在直接内存中，直接内存是受本机可用内存的影响，相对更不容易内存溢出
• 元空间是方法区的实现，里面存放了类的元数据。元空间更大，那么能加载的类就更多了
• 在 JDK8，合并 HotSpot 和 JRockit 的代码时, JRockit 从来没有⼀个叫永久代的东西, 合并之后就没有必要额外的设置这么一个永久代

6、运行时常量池

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。

Class文件中有“常量池表（Constant Pool Table）”，用于存放编译器生成的各种字面量与符号引用，在类加载完成后，这部分内容会存放在方法区的运行时常量池中。

运行时常量池具备动态性。Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，即并不是只有Class文件中常量池表的内容能进入方法区的运行时常量池，运行期间也可以将新的常量放入常量池，比如String类的intern()方法。

运行时常量池受到方法区内存的限制，如果无法申请到足够的内存，也会抛出 OutOfMemoryError 异常。

存放的位置

• 在JDK1.7前，运行时常量池+字符串常量池是存放在方法区的永久代中
• 在JDK1.7中，字符串常量池从方法区移到堆中，运行时常量池还保留在方法区中
• 在JDK1.8中，使用元空间实现方法区，此时字符串常量池依然保留在堆中，运行时常量池依然保留在方法区中，但此时的方法区处于元空间

7、直接内存

JDK1.8之后，方法区放在了元空间中，元空间就在直接内存中。

直接内存（Direct Memory）不是JVM运行时数据区的一部分，但也被频繁使用，也可能导致OOM。

在JDK 1.4中加入了NIO（New Input/Output）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堆内的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样就能提高性能，避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

直接内存受到主机总内存（物理内存、分页文件）的限制，如果设置得比实际内存更大，在动态扩展时就会发生内存不足，从而到最后OOM。

8、总结

JVM将内存主要分为了两大部分：堆和栈。其中堆是线程共享的，而栈是线程私有的。

• 堆：用于存储对象实例
• 栈：服务于每个线程方法的执行。
  • 每个方法执行时，JVM会同步创建一个栈帧，存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。
  • 一个方法的执行过程，对应着一个栈帧的入栈和出栈过程。

栈分成了两部分：

• 虚拟机栈：面向Java方法
• 本地方法栈：面向Native方法

要记录下一条执行的指令位置，并且控制线程的切换，需要设计一个线程私有的程序计数器。

• 程序计数器：
  • 负责存放当前线程的字节码执行位置。字节码解释器根据PC的值来选取字节码指令去执行。
  • 有两个作用：进行程序流程控制、保存上次执行到的字节码指令，线程切换回来后接着执行，所以它是线程私有的

HotSpot虚拟机在堆上额外开辟了一块内存，作为方法区。

• 方法区：
  • JDK1.8之前在堆上的永久代中，JDK1.8之后在直接内存的元空间中。
  • 用于存储已经被类加载的类、常量、类的静态变量、JIT 即时编译器的代码缓存。

为了对常量进行优化，在方法区中开辟了运行时常量池。

• 运行时常量池：是方法区的一部分，存放编译器生成的各种字面量与符号引用。