JVM在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干不同的数据区域，这些不同的数据区域共同构成Java的内存结构。Java内存结构和内存模型（JMM）是两个不同的概念，本文讨论的是Java的内存结构。

一、运行时数据区域

1.程序计数器

程序计数器是当前线程所执行的字节码的行号指示器。每条线程都要有一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，属于线程私有的内存。程序计数器是唯一一个在Java虚拟机规范里没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域，因为它只保存一个固定大小的地址。

2.Java虚拟机栈

虚拟机栈也是线程私有的，每个线程都有独立的栈，栈的生命周期与线程相同。虚拟机栈是描述Java方法执行的内存模型：Java方法在开始执行时都会创建一个栈桢，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Java方法从调用到执行完成的过程，就是对应栈桢从该线程栈中从入栈到出栈的过程。

局部变量表存放编译期可知的8种基本数据类型和对象引用reference，其所需内存空间在编译期就完成分配，当程序运行时进入一个方法时，这个方法需要在栈桢中分配多大的局部变量表空间时完全确定的，方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

3.本地方法栈

线程私有，虚拟机栈为Java方法服务，本地方法栈为Native方法服务。

4.Java堆

Java堆是所有线程共享的区域，唯一目的就是存放对象实例。从垃圾回收的角度看，Java堆可以细分为新生代和老年代，从内存模型（JMM）的角度看，可以划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer, TLAB）。

5.方法区

方法区也是线程共享的内存区域，用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。根据HotSpot规范，从垃圾回收的角度，方法区被划为永久代，现在已经改成了元空间（在本地内存Native Memory）。方法区是JVM的规范，永久代/元空间是HotSpot实现方法区的技术细节。

运行时常量池是方法区的一部分。注意Class文件中也有常量池，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。在类加载的链接-解析阶段，会将符号引用替换为直接引用（句柄或直接指针）。

运行时常量池相对于Class文件常量池的另一个重要特征是具备动态性，即常量并不一定只有在编译期（Class文件生成的时期）产生，也就是并非预置入Class文件常量池中的内容才能进入运行时常量池，运行时也能将新的常量放入池中。比如String的intern()方法：

• JDK1.6中，intern()将首次遇到的String实例复制到字符串常量池，然后返回这个复制实例的引用。返回的是指向字符串常量池的引用。
• JDK1.7后，intern()将首次遇到的String实例的引用保存到字符串常量池中，并返回这个引用。返回的是指向Java堆的引用。

字符串常量池原本作为运行时常量池的一部分，存在于方法区，在JDK1.7之后被剥离出来，移动到Java堆中。

二、对象探秘

1.对象创建

通过new关键字来创建对象，JVM遇到new指令时，先去检查对象所属类是否已经加载（包含加载、链接和初始化三个阶段），如果没有，那么需要先执行类加载过程。

类加载完毕后将在Java堆中为对象分配内存，对象所需内存大小在类加载完成后就完全确定了，因此只需要在堆中划分出一块确定大小的空闲内存分配给对象。

内存分配有指针碰撞和空闲列表两种方式：

• 当java堆中内存绝对规整，已占用内存在一边，空闲内存在另一边，采用指针碰撞方法（指针顺移，直到碰撞到已占用内存块）。
• 当Java堆内存不规整，已使用和未使用的内存块交错排布，采用空闲列表方法（维护一个列表，记录哪些内存块可用，为对象分配一个足够大的内存块）。

Java堆是否规整取决于JVM采用的GC算法：

• 如果采用标记-清理算法，堆内存是不规整的，采用空闲列表方法。
• 如果采用的是复制算法、标记-整理算法，堆内存规整，采用指针碰撞方法。

内存分配可能存在线程安全问题，解决方案：

• 对每次分配内存空间（移动指针）的动作进行同步，保证更新操作的原子性。
• 为每个线程，在Java堆中分配一块本地线程分配缓冲TLAB（线程工作内存），TLAB用完后再同步到主存。相比于第一种方法的优点是效率更高，因为不用频繁的锁，缺点是占用空间，而且不保证即时可见性。

内存分配完成后，执行默认初始化，将对象的内存空间初始化为0值。

然后设置对象的对象头（Object Header），保存对象是哪个类的实例、如何找到类的元数据信息、对象的HashCode、对象的分代年龄等信息。对象的内存布局可以分为对象头、实例数据和对齐填充三部分。

最后进行对象的指定初始化，即按照程序猿的意愿（code），初始化对象的各属性值。

2.对象的访问定位

对象的访问通过引用reference，引用方式包括句柄和直接指针两种：

• 使用句柄访问，Java堆中会划分出一块内存作为句柄池，reference中存储句柄地址，句柄中包含了对象地址和类型信息的地址。因此访问对象和类型信息都需要两次指针定位。

• 使用直接指针访问，reference中直接存储对象地址，通过对象头中的类型信息指针访问类型信息。因此访问对象只需要一次指针定位，访问类型信息需要两次定位。

句柄访问的优势是reference中存储稳定的句柄地址，当对象被移动（GC时）时只需要改变句柄中的对象地址，而reference本身不需要更改（对象的引用可能很多，而对象的句柄只有一个，因此只需要改一次）

直接指针访问的优势是访问对象的速度更快，因为节省了一次指针定位的时间开销。

三、内存泄露异常（OutOfMemoryError，OOM）

JVM的内存区域中，除了程序计数器之外，其他几个内存区域都可能会发生OOM异常，虽然叫异常，但是英文全称是OutOfMemoryError，属于Java异常体系中的错误Error。

1.Java堆溢出

堆溢出包括内存泄漏（Memory Leak）和内存溢出（Memory Overflow）两种情况：

• 内存泄漏：该回收的对象没有被回收。查看泄漏对象到GC Roots的引用链，定位泄漏代码，找到泄漏对象是通过怎样的路径关联到GC Roots，导致垃圾回收器无法自动回收它们的。
• 内存溢出：内存中的对象还确实都应该活着。检查是否存在某些对象生命周期过长、持有状态时间过长的情况，或者考虑调大堆内存。

2.虚拟机栈和本地方法栈溢出

栈内存包括两种异常StackOverflowError和OutOfMemoryError（OOM）：

• StackOverflowError：线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度（往死里递归）。
• OutOfMemoryError：虚拟机扩展栈时无法申请到足够的内存空间。

单线程情况下，一般都是抛出StackOverflowError；多线程的情况下，不断建立新的线程，从而分配新的栈，最终导致没有足够的内存去分配新的栈，导致OutOfMemoryError。

如果是因为建立多线程导致的OOM，可以考虑减少堆容量（这样栈空间就更大了）或者减少栈容量来换取更多的线程（栈空间一定，就能分配数量更多的栈了）。精髓是通过“减少内存”的手段来解决内存溢出问题。

3.方法区溢出

JDK8以前，永久代是HotSpot对方法区的具体实现。方法区的溢出有以下可能原因：

• JDK7之前，频繁使用String.intern()方法（会将String实例从堆中复制到字符串常量池）。
• 运行期间生成了大量代理类，导致方法区被撑爆，无法卸载。
• 应用长时间运行，没有重启。

JDK8之后，元空间替换了永久代实现，元空间使用本地内存，字符串常量池也从方法区移到了堆中，都能帮助避免方法区泄漏。