JVM整体结构及内存模型
JVM分为五大模块： 类装载器子系统 、 运行时数据区 、 执行引擎 、 本地方法接口 和 垃圾收集模块 。
方法区Java8之后的变化
- 移除了 PermGen（永久代），替换为 Metaspace（元空间）
- 永久代中的 class metadata（类元信息）转移到了 native memory（本地内存，而不是虚拟机）
- 永久代中的 interned Strings（字符串常量池）和 class static variables（类静态变量）转移到了Java heap
- 永久代参数 (PermSize MaxPermSize) -> 元空间参数 (MetaspaceSize MaxMetaspaceSize)
Java8为什么要将永久代替换成Metaspace？
- 字符串存在永久代中，容易出现性能问题和内存溢出。
- 类及方法的信息等比较难确定其大小，因此对于永久代的大小指定比较困难，太小容易出现永久代溢出，太大则容易导致老年代溢出。
- 永久代会为 GC 带来不必要的复杂度，并且回收效率偏低。
PC程序计数器
PC寄存器，是一块较小的内存空间，可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。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。
虚拟机栈
Java虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)是线程私有的，生命周期和线程相同。Java虚拟机栈和线程同时创建，用于存储栈帧。每个方法在执行时都会创建一个栈帧(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。每一个方法从调用直到执行完成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。
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。栈帧存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态连接和方法返回地址等信息。每一个方法从调用至执行完成的过程，都对应着一个栈帧在虚拟机栈里从入栈到出栈的过程。
局部变量表
局部变量表(Local Variable Table)是一组变量值存储空间，用于存放方法参数和方法内定义的局部变量。包括8种基本数据类型、对象引用（reference类型）和returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）。 其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1个。
操作数栈
操作数栈(Operand Stack)也称作操作栈，是一个后入先出栈(LIFO)。随着方法执行和字节码指令的执行，会从局部变量表或对象实例的字段中复制常量或变量写入到操作数栈，再随着计算的进行将栈中元素出栈到局部变量表或者返回给方法调用者，也就是出栈/入栈操作。
动态链接
Java虚拟机栈中，每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈所属方法的符号引用，持有这个引用的目的是为了支持方法调用过程中的动态链接(Dynamic Linking)。动态链接的作用:将符号引用转换成直接引用。
方法返回地址
方法返回地址存放调用该方法的PC寄存器的值。一个方法的结束，有两种方式：正常地执行完成，出现未处理的异常非正常的退出。无论通过哪种方式退出，在方法退出后都返回到该方法被调用的位置。方法正常退出时，调用者的PC计数器的值作为返回地址，即调用该方法的指令的下一条指令的地址。而通过异常退出的，返回地址是要通过异常表来确定，栈帧中一般不会保存这部分信息。 无论方法是否正常完成，都需要返回到方法被调用的位置，程序才能继续进行。
本地方法栈
本地方法栈（Native Method Stacks） 与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的， 其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务， 而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。
堆
对于Java应用程序来说，Java堆（Java Heap）是虚拟机所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，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 世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。“几乎”是指从实现角度来看， 随着Java语言的发展，现在已经能看到些许迹象表明日后可能出现值类型的支持， 即使只考虑现在， 由于即时编译技术的进步， 尤其是逃逸分析技术的日渐强大， 栈上分配、标量替换优化手段已经导致一些微妙的变化悄然发生， 所以说Java对象实例都分配在堆上也渐渐变得不是那么绝对了。
元空间
在JDK1.7之前，HotSpot 虚拟机把方法区当成永久代来进行垃圾回收。而从 JDK 1.8 开始，移除永久代，并把方法区移至元空间，它位于本地内存中，而不是虚拟机内存中。
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， 它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、 常量、 静态变量、 即时编译器编译后的代码缓存等数据
方法区的特点:
- 方法区与堆一样是各个线程共享的内存区域
- 方法区在JVM启动的时候就会被创建并且它实例的物理内存空间和Java堆一样都可以不连续
- 方法区的大小跟堆空间一样 可以选择固定大小或者动态变化
- 方法区的对象决定了系统可以保存多少个类,如果系统定义了太多的类 导致方法区溢出虚拟机同样会抛出 (OOM)异常(Java7之前是 PermGen Space (永久代) Java 8之后 是MetaSpace(元空间))
- 关闭JVM就会释放这个区域的内存
运行时常量池
常量池表在运行时的表现形式，编译后的字节码文件中包含了类型信息、域信息、方法信息等。通过ClassLoader将字节码文件的常量池中的信息加载到内存中，存储在了方法区的运行时常量池中。
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。
在JDK 1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区 （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堆里面的 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堆和Native堆中来回复制数据。
NIO的Buffer提供一个可以直接访问系统物理内存的接口——DirectBuffer。
DirectByteBuffer继承自ByteBuffer，但和普通的ByteBuffer不同。普通的ByteBuffer仍在JVM堆上分配内存，其最大内存受到最大堆内存的限制。而DirectByteBuffer直接分配在物理内存中，并不占用堆空间。在访问普通的ByteBuffer时，系统总是会使用一个“内核缓冲区”进行操作。 而DirectByteBuffer所处的位置，就相当于这个“内核缓冲区”。因此，使用DirectByteBuffer是一种更加接近内存底层的方法， 所以它的速度比普通的ByteBuffer更快。
JVM内存参数设置
-Xss：每个线程的栈大小
-Xms：设置堆的初始可用大小，默认物理内存的1/64
-Xmx：设置堆的最大可用大小，默认物理内存的1/4
-Xmn：新生代大小
-XX:NewRatio：默认2表示新生代占年老代的1/2，占整个堆内存的1/3。
-XX:SurvivorRatio：默认8表示一个survivor区占用1/8的Eden内存，即1/10的新生代内存。
关于元空间的JVM参数有两个：-XX:MetaspaceSize=N和 -XX:MaxMetaspaceSize=N
-XX：MaxMetaspaceSize： 设置元空间最大值， 默认是-1， 即不限制， 或者说只受限于本地内存大小。
-XX：MetaspaceSize： 指定元空间触发Fullgc的初始阈值(元空间无固定初始大小)， 以字节为单位，默认是21M左右，达到该值就会触发full gc进行类型卸载， 同时收集器会对该值进行调整： 如果释放了大量的空间， 就适当降低该值； 如果释放了很少的空间， 那么在不超过-XX：MaxMetaspaceSize（如果设置了的话） 的情况下， 适当提高该值。这个跟早期jdk版本的-XX:PermSize参数意思不一样，-XX:PermSize代表永久代的初始容量。
由于调整元空间的大小需要Full GC，这是非常昂贵的操作，如果应用在启动的时候发生大量Full GC，通常都是由于永久代或元空间发生了大小调整，基于这种情况，一般建议在JVM参数中将MetaspaceSize和MaxMetaspaceSize设置成一样的值，并设置得比初始值要大，对于8G物理内存的机器来说，一般我会将这两个值都设置为256M。
