Java虚拟机（二）：Java虚拟机运行时数据区域

JVM对于是每个Java程序员掌握一定Java基础后，都需要学习的。因为很多代码问题，只能了解了JVM底层原理后才能解决。大多数Java后端开发者都知道堆（Heap）和栈（Stack）的概念，却没有真正理解其原理。推荐《深入理解Java虚拟机（第二版）》---周志明著学习JVM。

进程和线程

学习JVM前要了解进程和线程的概念。

以下是一个类比，来自阮一峰---进程与线程的一个简单解释。

1. 计算机的CPU是像一座工厂，时刻在运行。
2. 因工厂电力有限，一次只能供给一个车间使用。也就是说，一个车间开工的时候，其他车间都必须停工。背后的含义就是，单个CPU一次只能运行一个任务。
3. 进程就好比工厂的车间，它代表CPU所能处理的单个任务。任一时刻，CPU总是运行一个进程，其他进程处于非运行状态。
4. 一个车间里，可以有很多工人。他们协同完成一个任务。
5. 线程就好比车间里的工人。一个进程可以包括多个线程。

进程和线程里面还涉及到“锁”的知识，请在参考网址中学习。

下图是：Java虚拟机运行时数据区

程序计数器（Program Counter Resiger）

首先程序计数器是一块较小的内存空间，“决定”当前线程字节码的执行顺序，因为它存储字节码的行号。而在多线程中，每个线程都具有一个程序计数器，各条线程之间独立，计数器互不影响，独立存储。程序计数器是“线程私有”的内存。

如果线程执行Java方法，计数器记录的是虚拟机字节码指令的地址。而如果执行Native方法，值为空（Undefined），理解这一段文字需要理解Native方法是什么！Native方法是非Java代码（比如C）编写的方法。程序计数器是Java虚拟机规范中唯一没有OutOfMemoryError的内存区域。

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）

虚拟机栈是Java方法（也就是字节码）运行时的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）[帧是一种数据结构]用于存储局部变量表等。它是“线程私有”的，生命周期和线程相同。

我们常说的栈（Stacks）其中一种含义就是Java虚拟机栈，确切的说是虚拟机栈中局部变量表部分。局部变量表存放原始（基本）数据类型，其中Long和double占两个局部变量空间（Slot）-32位。也存放对象引用和ruturnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址？）。

局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入（运行）一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，这是因为局部变量表是有结构的，每个区块按照一定次序存放，所以可以明确知道每个区块的大小。局部变量就是在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

Java虚拟机规范中规定此区域有两种异常：

• 每次方法调用都会有一个栈帧压入虚拟机栈，JVM分配给虚拟机栈的内存是有限的。如果方法调用过多，导致虚拟机栈满了就会溢出。如果线程请求的栈深度（栈帧的数量）大于虚拟机所允许的深度（虚拟机栈的内存），将抛出StackOverflowError异常
• 虚拟机栈可以动态扩展，如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈（Native Method Stack）

本地方法栈与Java虚拟机栈类似，是虚拟机使用到的Native方法服务。Sun HotSpot虚拟机直接本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆（Java Heap）

Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。是被所有线程共享的一块内存区域。存放对象实例和数组（数组也是对象），现在不是那么“绝对”了。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”（Garbage Collected Heap）。

根据Java虚拟机规范，Java堆只要逻辑上是连续的即可，就像磁盘空间。可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的（大部分虚拟机都可动态扩展）。如果堆没有内存完成实例分配，且堆也无法再扩展时，会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区（Method Area）

方法区（Method Area）不是存储方法，而是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。Java虚拟机规范将方法区描述为堆的一个逻辑部分，是逻辑区，但为区分堆，别名叫Non-Heap（非堆）。

方法区（Method Area）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。此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？）。也可能抛出OutOfMemoryError异常。

运行时常量池（Runtime Constant Pool）

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、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量（Literal）和符号引用（Symbolic References），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。

字面量比较接近于Java语言层面的常量概念，如文本字符串、 声明为final的常量值等。 而符号引用则属于编译原理方面的概念，包括了下面三类常量：

• 类和接口的全限定名（Fully Qualified Name）
• 字段的名称和描述符（Descriptor）
• 方法的名称和描述符

对于运行时常量池，Java虚拟机规范没有做任何细节的要求。运行时常量池不同于Class文件常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中。内存不足时会抛出OutOfMemoryError异常。

直接内存（Direct Memory）

直接内存通俗来说就是I/O方式使用Native堆直接分配堆外内存。

总结

一般来说，每个进程分配一个"Heap"，每个线程分配一个"Stack"。因为一个进程中有很多线程，所以Java堆等是线程共享的；而"Stack"的生命周期跟线程相同，即"Stack"是线程独占的，所以程序计数器、Java虚拟机栈等是线程私有的。

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"Stack"的另外两种含义有：

• 一种数据结构，即一组数据的存放方式，特点是FILO---First In,Last Out(先进后出)
• 一种代码运行方式，即"调用栈"（call Stack），表示函数或子例程像堆积木一样存放，以实现层层调用。

"Stack"和Heap的主要区别是："Stack"是有结构的，"Heap"是没有结构的。因此，"Stack"的寻址速度要快于"Heap"。

线程共享的好处：任何时候一个线程改变一些数据，其他线程可以看到它。

？号部分通读全文理解后解释。

参考资料

• 《深入理解Java虚拟机（第二版）》---周志明著
• 阮一峰---进程与线程的一个简单解释
• 阮一峰---Stack的三种含义