Java虚拟机内存模型在Java虚拟机内存模型中定义的访问操作与物理计算机的处理基本一致。
Java通过多线程机制同时处理多个任务，所有线程共享JVM内存区域main memory，每个线程都有自己的工作内存。 当线程与内存区域交互时，数据从主存储器复制到工作存储器，并传递到线程进行处理。 更多的信息在后面的《深入JVM—JVM类执行机制中详细解说》。
如上所述，JVM的逻辑内存模型如下：
我们现在来逐个的看下每个到底是做什么的！
1、程序计数器程序计数器(Program Counter Register )是一个小的内存空间，其作用可以看作是当前线程运行的字节码的行号指示符。 虚拟机的概念模型(仅在概念模型中，各种虚拟机可能以多种更高效的方式实现)字节码解释器通过更改此计数器的值来选择下一个要执行的字节码指令。 基本功能(如分支、循环、跳转、异常处理和线程恢复)必须依赖于此计数器执行。
Java虚拟机的多线程是通过线程交替分配处理器的运行时间来实现的，因此在特定时间，一个处理器(对多核处理器而言是一个内核)只执行一个线程中的指令因此，为了切换线程并返回正确的执行位置，每个线程都需要独立的程序计数器，线程之间的计数器不会相互影响，而是独立存储。 这种内存空间称为“线程专用”内存。
如果线程正在执行Java方法，则此计数器将记录正在运行的虚拟机的字节码指令的地址。 如果正在执行Natvie方法，则计数器值为空。 此内存空间是唯一没有在Java虚拟机规范中规定内存输出情况的区域。
2、Java虚拟机堆栈与程序计数器一样，Java虚拟机堆栈(Java虚拟机堆栈)也是线程专用的，其生命周期与线程相同。 虚拟机堆栈描述了Java方法执行的内存模型。 当每个方法被执行时，存储信息(如本地变量表、操作堆栈、动态链接和方法出口)的堆栈帧(直到调用每个方法并完成执行的过程是堆栈帧在虚拟机堆栈中从堆栈开始执行的)
有人经常将Java内存分为堆内存(Heap )和堆栈内存(stack memory )，但这种划分方式很粗糙，Java内存空间的划分实际上要复杂得多。 这种划分方式的流行只表明，大多数程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的内存区域就是这两个。 此处的“堆”将在后面详细描述，“堆栈”是指当前虚拟机堆栈或虚拟机堆栈中的本地变量表部分。
局部变量表包含各种基本数据类型(参见布尔、字节、字符、短整型、整型、浮点型、长整型、双精度)以及在编译时可见的引用类型
其中，64位长的long型和double型数据占用两个局部变量空间Slot，剩下的数据类型只占用一个。 局部变量表所需的内存空间在编译过程中分配。 方法中时，它完全决定了该方法需要为框架分配多少局部变量区域，并且在执行该方法时局部变量表的大小不变。
在javavirtualmachinespecification中，此区域规定了两个异常：如果线程请求的堆栈深度大于虚拟机允许的深度，则会抛出堆栈溢出错误异常。 如果虚拟机堆栈可以动态扩展，并且在扩展时无法请求足够的内存，则会抛出内存外错异常。 目前，大多数Java虚拟机都可以动态扩展，但Java虚拟机规范还允许固定长度的虚拟机堆栈。
3、本地方法堆栈本地方法堆栈(Native Method Stacks )与虚拟机堆栈所起的作用非常相似。 区别仅在于虚拟机堆栈为虚拟机运行Java方法(字节码)服务，而本地方法堆栈为虚拟机使用的朴素方法服务。 虚拟机规范没有规定用于本地方法堆栈中方法的语言、用法和数据结构，因此特定虚拟机可以自由实施。 甚至一些虚拟机(如Sun HotSpot虚拟机)也直接将本地方法堆栈和虚拟机堆栈整合为一个。
与虚拟机堆栈一样，本地方法堆栈空间也会抛出堆栈溢出错误和内存溢出错误异常。
4、Java堆对于大多数APP应用程序来说，Java堆(Java Heap )是Java虚拟机管理的内存中最大的块。 Java堆是所有线程共享的内存区域，是在虚拟机启动时创建的。 此内存空间的唯一目的是存储几乎所有对象实例分配内存的对象实例。 虽然Java虚拟机规范描述了将所有对象实例和数组分配给堆的，但是随着JIT编译器的发展和转义分析技术的成熟，分配给堆栈、标量替换优化技术会发生一些细微的变化
Java堆是垃圾回收管理的主要领域
域，因此很多时候也被称做“GC 堆”（GarbageCollected Heap，幸好国内没翻译成“垃圾堆”）。如果从内存回收的角度看，由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法，所以Java 堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden 空间、From Survivor 空间、To Survivor 空间等。如果从内存分配的角度看，线程共享的Java 堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区（Thread LocalAllocation Buffer，TLAB）。不过，无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例，进一步划分的目的是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存。在本章中，我们仅仅针对内存区域的作用进行讨论，Java 堆中的上述各个区域的分配和回收等细节将会是下一章的主题。根据Java 虚拟机规范的规定，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即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（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，将会抛出OutOfMemoryError 异常。
4、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信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java 虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java 堆区分开来。
对于习惯在HotSpot 虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot 虚拟机的设计团队选择把GC 分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。对于其他虚拟机（如BEA JRockit、IBM J9 等）来说是不存在永久代的概念的。即使是HotSpot 虚拟机本身，根据官方发布的路线图信息，现在也有放弃永久代并“搬家”至Native Memory 来实现方法区的规划了。
Java 虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松，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。相对而言，垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这个区域的内存回收目标主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，一般来说这个区域的回收“成绩”比较难以令人满意，尤其是类型的卸载，条件相当苛刻，但是这部分区域的回收确实是有必要的。在Sun 公司的BUG 列表中，曾出现过的若干个严重的BUG 就是由于低版本的HotSpot 虚拟机对此区域未完全回收而导致内存泄漏。
根据Java 虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError 异常。
5、运行时常量池运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，还有一项信息是常量池（Constant PoolTable），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存放到方法区的运行时常量池中。
Java 虚拟机对Class 文件的每一部分（自然也包括常量池）的格式都有严格的规定，每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求，这样才会被虚拟机认可、装载和执行。但对于运行时常量池，Java 虚拟机规范没有做任何细节的要求，不同的提供商实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个内存区域。不过，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①。
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能在编译期产生，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，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String 类的intern() 方法。
既然运行时常量池是方法区的一部分，自然会受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError 异常
6、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，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError 异常出现，所以我们放到这里一起讲解。
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。
显然，本机直接内存的分配不会受到Java 堆大小的限制，但是，既然是内存，则肯定还是会受到本机总内存（包括RAM 及SWAP 区或者分页文件）的大小及处理器寻址空间的限制。服务器管理员配置虚拟机参数时，一般会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常会忽略掉直接内存，使得各个内存区域的总和大于物理内存限制（包括物理上的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常
逻辑内存模型我们已经看到了，那当我们建立一个对象的时候是怎么进行访问的呢？在Java 语言中，对象访问是如何进行的？对象访问在Java 语言中无处不在，是最普通的程序行为，但即使是最简单的访问，也会却涉及Java 栈、Java 堆、方法区这三个最重要内存区域之间的关联关系，如下面的这句代码：
Object obj = new Object();
假设这句代码出现在方法体中，那“Object obj”这部分的语义将会反映到Java 栈的本地变量表中，作为一个reference 类型数据出现。而“new Object()”这部分的语义将会反映到Java 堆中，形成一块存储了Object 类型所有实例数据值（Instance Data，对象中各个实例字段的数据）的结构化内存，根据具体类型以及虚拟机实现的对象内存布局（Object Memory Layout）的不同，这块内存的长度是不固定的。另外，在Java 堆中还必须包含能查找到此对象类型数据（如对象类型、父类、实现的接口、方法等）的地址信息，这些类型数据则存储在方法区中。
由于reference 类型在Java 虚拟机规范里面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哪种方式去定位，以及访问到Java 堆中的对象的具体位置，因此不同虚拟机实现的对象访问方式会有所不同，主流的访问方式有两种：使用句柄和直接指针。
句柄池如果使用句柄访问方式，Java 堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据和类型数据各自的具体地址信息，如下图所示。
如果使用直接指针访问方式，Java 堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference 中直接存储的就是对象地址，如下图所示
这两种对象的访问方式各有优势，使用句柄访问方式的最大好处就是reference 中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference 本身不需要被修改。
使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Java 中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。就本书讨论的主要虚拟机Sun HotSpot 而言，它是使用第二种方式进行对象访问的，但从整个软件开发的范围来看，各种语言和框架使用句柄来访问的情况也十分常见。
下面我们来看几个示例 1、Java 堆溢出下面的程中我们限制Java 堆的大小为20MB，不可扩展（将堆的最小值-Xms 参数与最大值-Xmx 参数设置为一样即可避免堆自动扩展），通过参数-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 可以让虚拟机在出现内存溢出异常时Dump 出当前的内存堆转储快照以便事后进行分析。
参数设置如下
最后手绘了下图所示的kafka知识大纲流程图（xmind文件不能上传，导出图片展现），但都都可提供源文件给每位爱学习的朋友，获取链接：戳这里免费下载
可提供源文件给每位爱学习的朋友，获取链接：戳这里免费下载
[外链图片转存中…(img-Mk8T2UZ3-1624946027948)]