前言
在 Java 程序运行过程中，操作系统为其分配了物理内存和虚拟内存。理解这两者的概念有助于明晰内存管理和性能优化。
一、物理内存
物理内存是指计算机的实际 RAM（随机存取存储器）。Java 进程在运行时需要向操作系统请求内存资源，操作系统通过分配物理内存来满足 Java 进程的内存需求。
简而言之，物理内存是计算机系统的一种存储介质和磁盘不同、容量相对较小，通常在几GB到几十GB之间，常常用于临时数据存储。JVM 在堆内存、栈内存等区域中分配的内存实际上会映射到物理内存。
二、虚拟内存
虚拟内存是操作系统的一种内存管理机制，它允许应用程序看到的内存地址空间远大于物理内存。虚拟内存结合了 RAM 和磁盘（通常是交换空间 swap）的存储资源，将其作为一个大的统一内存空间对外暴露。
JVM 和应用程序看到的是虚拟地址空间，而非直接访问物理内存。
虚拟内存通过分页（paging）机制管理，将物理内存和磁盘上的页面文件结合使用。当物理内存不足时，操作系统会将不常用的内存页面换出到磁盘，并在需要时从磁盘换入。
简而言之，虚拟内存会指向物理内存或者磁盘，当JVM处理的数据处于磁盘上时，JVM会将磁盘中的数据load进入物理内存。物理内存不足时，将内存中不需要处理的数据放入磁盘中。
三、Java内存模型
- 堆（Heap）：这是 Java 应用程序使用的主要内存区域，用于存放对象。堆的大小可以通过 JVM 参数 -Xms 和 -Xmx 来设置。堆内存被操作系统映射到虚拟地址空间，具体的内存页会在运行时根据需要分配到物理内存。
- 非堆内存（Non-Heap Memory）：包括元空间（Metaspace）、代码缓存、直接内存等区域。它们用于存储类信息、常量、JIT 编译的代码等。这部分内存也消耗虚拟内存。
- 栈（Stack）：每个线程都有自己的栈内存，用于存储局部变量和方法调用栈帧。栈的大小可以通过 JVM 参数 -Xss 来设置。栈也是分配在虚拟内存中的。
- 直接内存（Direct Memory）：这是由 NIO（New I/O）库使用的内存区域，允许 Java 直接从堆外分配内存，用于更高效地进行 I/O 操作。直接内存不是分配在堆上，但消耗的是虚拟内存，大小可以通过 -XX:MaxDirectMemorySize 来配置。
四、总结与反思
物理内存和虚拟内存的区别在于前者是实际的内存资源，后者是操作系统通过映射创建的逻辑空间。
五、附录
1. 有虚拟内存为什么Java进程还会OOM？
堆内存不足
Java 应用程序的堆内存是由 JVM 管理的，虚拟内存并不意味着可以无限制地分配堆内存。如果应用程序请求的堆内存超过了 JVM 设置的最大堆大小（通过 -Xmx 配置），即使系统有足够的虚拟内存，JVM 也会抛出 OOM。
元空间不足
从 Java 8 开始，元空间用于存储类的元数据，元空间大小不是固定的。如果动态加载了大量类而未配置足够的元空间，可能会导致 OOM。这与虚拟内存的可用性无关。
直接内存不足
直接内存（通过 NIO 使用）是堆外分配的内存。如果应用程序需要大量直接内存并且未配置足够的最大直接内存（-XX:MaxDirectMemorySize），也会引发 OOM。
总结
虚拟内存虽然提供了扩展的地址空间，但 Java 进程的内存管理依然受到堆、元空间和直接内存等限制的影响。
简而言之，虚拟内存解决了计算过程将所有数据load到内存的困境，但是仍然受限于物理内存。
举个例子：写一个程序计算 a+b+c, 虚拟内存可以load a+b,然后再将计算结果x + c，保证内存中不会将不需要此刻处理的数据load到内存。
但是，对于JVM运行过程中正在使用的数据，仍然需要load到物理内存中。