本課時我們主要講解 JVM 的內存劃分以及棧上的執行過程。這塊內容在面試中主要涉及以下這 3 個面試題：
- JVM 是如何進行內存區域劃分的？
- JVM 如何高效進行內存管理？
- 爲什麼需要有元空間，它又涉及什麼問題？
帶着這 3 個問題，我們開始今天的學習，關於內存劃分的知識我希望在本課時你能夠理解就可以，不需要死記硬背，因爲在後面的課時我們會經常使用到本課時學習的內容，也會結合工作中的場景具體問題具體分析，這樣你可以對 JVM 的內存獲得更深刻的認識。
首先，第一個問題：JVM的內存區域是怎麼高效劃分的？這也是一個高頻的面試題。很多同學可能通過死記硬背的方式來應對這個問題，這樣不僅對知識沒有融會貫通在面試中還很容易忘記答案。
爲什麼要問到 JVM 的內存區域劃分呢？因爲 Java 引以爲豪的就是它的自動內存管理機制。相比於 C++的手動內存管理、複雜難以理解的指針等，Java 程序寫起來就方便的多。
然而這種呼之即來揮之即去的內存申請和釋放方式，自然也有它的代價。爲了管理這些快速的內存申請釋放操作，就必須引入一個池子來延遲這些內存區域的回收操作。
我們常說的內存回收，就是針對這個池子的操作。我們把上面說的這個池子，叫作堆，可以暫時把它看成一個整體。
JVM 內存佈局
程序想要運行，就需要數據。有了數據，就需要在內存上存儲。那你可以回想一下，我們的 C++ 程序是怎麼運行的？是不是也是這樣？
Java 程序的數據結構是非常豐富的。其中的內容，舉一些例子：
- 靜態成員變量
- 動態成員變量
- 區域變量
- 短小緊湊的對象聲明
- 龐大複雜的內存申請
這麼多不同的數據結構，到底是在什麼地方存儲的，它們之間又是怎麼進行交互的呢？是不是經常在面試的時候被問到這些問題？
我們先看一下 JVM 的內存佈局。隨着 Java 的發展，內存佈局一直在調整之中。比如，Java 8 及之後的版本，徹底移除了持久代，而使用 Metaspace 來進行替代。這也表示着 -XX:PermSize 和 -XX:MaxPermSize 等參數調優，已經沒有了意義。但大體上，比較重要的內存區域是固定的。
JVM 內存區域劃分如圖所示，從圖中我們可以看出：
- JVM 堆中的數據是共享的，是佔用內存最大的一塊區域。
- 可以執行字節碼的模塊叫作執行引擎。
- 執行引擎在線程切換時怎麼恢復？依靠的就是程序計數器。
- JVM 的內存劃分與多線程是息息相關的。像我們程序中運行時用到的棧，以及本地方法棧，它們的維度都是線程。
- 本地內存包含元數據區和一些直接內存。
一般情況下，只要你能答出上面這些主要的區域，面試官都會滿意的點頭。但如果深挖下去，可能就有同學就比較頭疼了。下面我們就詳細看下這個過程。
虛擬機棧
棧是什麼樣的數據結構？你可以想象一下子彈上膛的這個過程，後進的子彈最先射出，最上面的子彈就相當於棧頂。
我們在上面提到，Java 虛擬機棧是基於線程的。哪怕你只有一個 main() 方法，也是以線程的方式運行的。在線程的生命週期中，參與計算的數據會頻繁地入棧和出棧，棧的生命週期是和線程一樣的。
棧裏的每條數據，就是棧幀。在每個 Java 方法被調用的時候，都會創建一個棧幀，併入棧。一旦完成相應的調用，則出棧。所有的棧幀都出棧後，線程也就結束了。每個棧幀，都包含四個區域：
- 局部變量表
- 操作數棧
- 動態連接
- 返回地址
我們的應用程序，就是在不斷操作這些內存空間中完成的。
本地方法棧是和虛擬機棧非常相似的一個區域，它服務的對象是 native 方法。你甚至可以認爲虛擬機棧和本地方法棧是同一個區域，這並不影響我們對 JVM 的瞭解。
這裏有一個比較特殊的數據類型叫作 returnAdress。因爲這種類型只存在於字節碼層面，所以我們平常打交道的比較少。對於 JVM 來說，程序就是存儲在方法區的字節碼指令，而 returnAddress 類型的值就是指向特定指令內存地址的指針。
這部分有兩個比較有意思的內容，面試中說出來會讓面試官眼前一亮。
- 這裏有一個兩層的棧。第一層是棧幀，對應着方法；第二層是方法的執行，對應着操作數。注意千萬不要搞混了。
- 你可以看到，所有的字節碼指令，其實都會抽象成對棧的入棧出棧操作。執行引擎只需要傻瓜式的按順序執行，就可以保證它的正確性。
這一點很神奇，也是基礎。我們接下來從線程角度看一下里面的內容。
程序計數器
那麼你設想一下，如果我們的程序在線程之間進行切換，憑什麼能夠知道這個線程已經執行到什麼地方呢？
既然是線程，就代表它在獲取 CPU 時間片上，是不可預知的，需要有一個地方，對線程正在運行的點位進行緩衝記錄，以便在獲取 CPU 時間片時能夠快速恢復。
就好比你停下手中的工作，倒了杯茶，然後如何繼續之前的工作？
程序計數器是一塊較小的內存空間，它的作用可以看作是當前線程所執行的字節碼的行號指示器。這裏面存的，就是當前線程執行的進度。下面這張圖，能夠加深大家對這個過程的理解。
可以看到，程序計數器也是因爲線程而產生的，與虛擬機棧配合完成計算操作。程序計數器還存儲了當前正在運行的流程，包括正在執行的指令、跳轉、分支、循環、異常處理等。
我們可以看一下程序計數器裏面的具體內容。下面這張圖，就是使用 javap 命令輸出的字節碼。大家可以看到在每個 opcode 前面，都有一個序號。就是圖中紅框中的偏移地址，你可以認爲它們是程序計數器的內容。
堆
堆是 JVM 上最大的內存區域，我們申請的幾乎所有的對象，都是在這裏存儲的。我們常說的垃圾回收，操作的對象就是堆。
堆空間一般是程序啓動時，就申請了，但是並不一定會全部使用。
隨着對象的頻繁創建，堆空間佔用的越來越多，就需要不定期的對不再使用的對象進行回收。這個在 Java 中，就叫作 GC（Garbage Collection）。
由於對象的大小不一，在長時間運行後，堆空間會被許多細小的碎片佔滿，造成空間浪費。所以，僅僅銷燬對象是不夠的，還需要堆空間整理。這個過程非常的複雜，我們會在後面有專門的課時進行介紹。
那一個對象創建的時候，到底是在堆上分配，還是在棧上分配呢？這和兩個方面有關：對象的類型和在 Java 類中存在的位置。
Java 的對象可以分爲基本數據類型和普通對象。
對於普通對象來說，JVM 會首先在堆上創建對象，然後在其他地方使用的其實是它的引用。比如，把這個引用保存在虛擬機棧的局部變量表中。
對於基本數據類型來說（byte、short、int、long、float、double、char)，有兩種情況。
我們上面提到，每個線程擁有一個虛擬機棧。當你在方法體內聲明瞭基本數據類型的對象，它就會在棧上直接分配。其他情況，都是在堆上分配。
注意，像 int[] 數組這樣的內容，是在堆上分配的。數組並不是基本數據類型。
這就是 JVM 的基本的內存分配策略。而堆是所有線程共享的，如果是多個線程訪問，會涉及數據同步問題。這同樣是個大話題，我們在這裏先留下一個懸念。
元空間
關於元空間，我們還是以一個非常高頻的面試題開始：“爲什麼有 Metaspace 區域？它有什麼問題？”
說到這裏，你應該回想一下類與對象的區別。對象是一個活生生的個體，可以參與到程序的運行中；類更像是一個模版，定義了一系列屬性和操作。那麼你可以設想一下。我們前面生成的 A.class，是放在 JVM 的哪個區域的？
想要問答這個問題，就不得不提下 Java 的歷史。在 Java 8 之前，這些類的信息是放在一個叫 Perm 區的內存裏面的。更早版本，甚至 String.intern 相關的運行時常量池也放在這裏。這個區域有大小限制，很容易造成 JVM 內存溢出，從而造成 JVM 崩潰。
Perm 區在 Java 8 中已經被徹底廢除，取而代之的是 Metaspace。原來的 Perm 區是在堆上的，現在的元空間是在非堆上的，這是背景。關於它們的對比，可以看下這張圖。
然後，元空間的好處也是它的壞處。使用非堆可以使用操作系統的內存，JVM 不會再出現方法區的內存溢出；但是，無限制的使用會造成操作系統的死亡。所以，一般也會使用參數 -XX:MaxMetaspaceSize 來控制大小。
方法區，作爲一個概念，依然存在。它的物理存儲的容器，就是 Metaspace。我們將在後面的課時中，再次遇到它。現在，你只需要瞭解到，這個區域存儲的內容，包括：類的信息、常量池、方法數據、方法代碼就可以了。
小結
好了，到這裏本課時的基本內容就講完了，針對這塊的內容在面試中還經常會遇到下面這兩個問題。
- 我們常說的字符串常量，存放在哪呢？
由於常量池，在 Java 7 之後，放到了堆中，我們創建的字符串，將會在堆上分配。
- 堆、非堆、本地內存，有什麼關係？
關於它們的關係，我們可以看一張圖。在我的感覺裏，堆是軟綿綿的，鬆散而有彈性；而非堆是冰冷生硬的，內存非常緊湊。
大家都知道，JVM 在運行時，會從操作系統申請大塊的堆內內存，進行數據的存儲。但是，堆外內存也就是申請後操作系統剩餘的內存，也會有部分受到 JVM 的控制。比較典型的就是一些 native 關鍵詞修飾的方法，以及對內存的申請和處理。
在 Linux 機器上，使用 top 或者 ps 命令，在大多數情況下，能夠看到 RSS 段（實際的內存佔用），是大於給 JVM 分配的堆內存的。
如果你申請了一臺系統內存爲 2GB 的主機，可能 JVM 能用的就只有 1GB，這便是一個限制。
總結
JVM 的運行時區域是棧，而存儲區域是堆。很多變量，其實在編譯期就已經固定了。.class 文件的字節碼，由於助記符的作用，理解起來並不是那麼喫力，我們將在課程最後幾個課時，從字節碼層面看一下多線程的特性。
JVM 的運行時特性，以及字節碼，是比較偏底層的知識。本課時屬於初步介紹，有些部分並未深入講解。希望你應該能夠在腦海裏建立一個 Java 程序怎麼運行的概念，以便我們在後面的課時中，提到相應的內存區域時，有個整體的印象。