一、前言

JVM（Java 虚拟机）的运行时内存结构在 Java 程序的运行中起着关键支撑作用。而在 Android 系统中，虽然没有直接使用传统的 JVM，但 Android 运行时环境（AndroidRuntime）借鉴了许多 JVM 的设计理念和机制。了解 JVM 的运行时内存结构，不仅有助于 Java 开发者更好地理解 Java 程序的运行机制，对于 Android 开发者来说，也能更深入地理解 Android 系统中应用程序的运行原理，优化程序性能，以及排查内存相关的问题。

二、JVM 运行时内存结构

2.1 线程隔离数据区：

• 程序计数器：记录正在执行的虚拟机字节码的地址；
• 虚拟机栈：方法执行的内存区，每个方法执行时会在虚拟机栈中创建栈帧；
• 本地方法栈：虚拟机的Native方法执行的内存区；

2.2 线程共享数据区：

• Java堆：对象分配内存的区域；
• 方法区：存放类信息、常量、静态变量、编译器编译后的代码等数据；
• 常量池：存放编译器生成的各种字面量和符号引用，是方法区的一部分。

三、JVM 内存区域划分

1. 程序计数器（PC）

• 程序计数器是当前线程所执行的字节码行号指示器。每个线程都拥有自己独立的程序计数器，属于私有内存空间，在整个内存中占比较小。
• 当线程执行 Java 方法时，PC 计数器记录正在执行的虚拟机字节码地址；而当线程执行 Native 方法时，PC 计数器为空。

2. 虚拟机栈

• 虚拟机栈的生命周期与线程相同，是 Java 方法执行的内存模型。每个方法执行时都会创建一个栈帧，方法的执行过程对应着虚拟机栈的入栈到出栈过程。
• 栈帧是支持虚拟机进行方法执行的数据结构，也是虚拟机栈的栈元素。栈帧包括局部变量表（容量以 slot 为最小单位，用于存储一组变量，其大小在编译期确定）、操作栈（操作栈元素的数据类型需与字节码指令序列严格匹配，大小同样在编译期确定）、动态连接（指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，用于动态连接）、方法返回地址（正常退出时，执行引擎遇到方法返回的字节码，将返回值传递给调用者；异常退出时，若遇到未被捕捉的 Exception，则不会有任何返回值）以及可能的额外附加信息（由具体虚拟机实现，虚拟机规范未明确规定）。
• Java 虚拟机规范规定该区域可能出现两种异常：当线程请求栈深度超出虚拟机栈所允许的深度时抛出 StackOverFlowError；当 Java 虚拟机动态扩展到无法申请足够内存时抛出 OutOfMemoryError。

3. 本地方法栈

• 本地方法栈为虚拟机使用的 Native 方法提供内存空间，与为 Java 方法提供内存空间的虚拟机栈类似。有些虚拟机的实现将本地方法栈和虚拟机栈合二为一，如 Sun HotSpot 虚拟机。
• 该区域可能抛出 StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 异常。

4. Java 堆

• Java 堆是 Java 虚拟机管理的最大一块内存，也是垃圾回收的主要区域，存放着几乎所有的对象实例和数组数据。由于 JIT 编译器的栈上分配、标量替换等优化技术，部分对象实例数据可能不在 Java 堆中，而是在栈内存。
• 从内存回收角度，Java 堆分为新生代和老年代，以更快地回收内存；从内存分配角度，可划分出线程私有的分配缓冲区（TLAB），以便更快地分配内存。对象实例在堆上的结构包括对象头和实例数据，可能还有填充数据以保证对象起始地址是 8 字节的整数倍。
• Java 虚拟机规范规定该区域可抛出 OutOfMemoryError 异常。

5. 方法区

• 方法区主要存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、编译器编译后的代码等数据。垃圾回收在该区域出现较少。
• 该区域可能抛出 OutOfMemoryError 异常。

6. 运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分，用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用。除了编译期产生的 Class 文件的常量池外，还可以在运行期间将新的常量加入常量池，如 String 类的 intern()方法。

• 字面量：与Java语言层面的常量概念相近，包含文本字符串、声明为final的常量值等。
• 符号引用：编译语言层面的概念，包括以下3类：
  • 类和接口的全限定名
  • 字段的名称和描述符
  • 方法的名称和描述符

该区域不会抛出 OutOfMemoryError 异常。

附录

Jvm系列1—运行时内存结构
深入研究Android内存优化（上）- 至少解决 APP 中 90% 的内存异常问题