JVM运行时数据区

1 运行时数据区

java引以为豪的就是内存自动化管理，不需要像C、C++等一样需要开发者手动获取内存、释放内存，对内存进行操作等，java在这方面做的非常好、非常方便。所以，了解java内存区域是怎么划分的是非常有必要的

1.1 结构介绍

运⾏时数据区也就是JVM在运⾏时产⽣的数据存放的区域，这块区域就是JVM的内存区域，也称为JVM的内存模型——JMM（Java Memory Model）

JMM分成了这么⼏个部分

• 堆空间（线程共享）：存放new出来的对象

• 元空间（线程共享）：存放类元信息、类的模版、常量池、静态部分

• 线程栈（线程独享）：⽅法的栈帧

• 本地⽅法栈（线程独享）：本地⽅法产⽣的数据

• 程序计数器（线程独享）：配合执⾏引擎来执⾏指令

**注：**堆、元空间(含方法区)是线程共享的，线程栈、本地⽅法栈、程序计数器是独享的。

下面每个部分详细介绍一下：

1.1.1 堆空间

Java虚拟机有一个在所有Java虚拟机线程之间共享区域为堆，堆是为所有类实例和数组分配内存的运行时数据区域，它是在虚拟机启动的时候创建的。

Java堆是虚拟机所管理的内存中最大的一块，我们常说的垃圾回收操作的区域就是堆。堆是为所有类实例和数组分配内存的运行时数据区域.

如果是普通对象并且是局部变量，那么在局部变量表(下面会讲述)中存放的只是对象的引用，也就是存储的是对象的地址，实例还是存放在堆区。

堆可以是固定大小的，也可以根据计算的需要进行扩展，如果不需要更大的堆，则可以收缩。堆的内存在物理上不需要是连续的，逻辑上是连续的即可，可通过参

数-Xms(设置堆内存初始值或最小值)和-Xmx(设置堆内存最大值)来对堆内存大小进行扩展。

Java虚拟机实现可以让程序员或用户控制堆的初始大小，如果堆可以动态扩展或收缩，还可以控制最大和最小堆大小。以下异常情况与堆相关联：

• 如果对象没有足够的内存去分配的话，Java虚拟机会抛出一个OutOfMemoryError。

1.1.2 元空间

方法区是可供各条线程共享的运行时内存区域。它存储了每一个类的结构信息，例如运行时常量池字段和方法数据、构造函数和普通方法的字节码内容、还包括一些在类、实例、接口初始化时用到的特殊方法。

1.1.3 线程栈

线程栈描述的是Java方法执行的线程内存模型，也被称为虚拟机堆栈：每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。虚拟机栈是一个栈结构，属于后进先出(FILO)的数据结构。
JVM规范允许Java线程栈具有固定大小或根据计算要求动态扩展和收缩。如果Java线程栈具有固定大小，则每个Java虚拟机堆栈的大小可以在创建堆栈时独立选择。
Java虚拟机实现可以让程序员或用户控制Java虚拟机堆栈的初始大小，以及在动态扩展或收缩Java线程栈的情况下，控制最大和最小大小。
以下异常情况与 Java 线程栈相关：

• 如果线程中的计算需要比允许的更大的Java线程栈，则Java虚拟机会抛出一个StackOverflowError。
• 如果Java线程栈可以动态扩展，并且尝试进行扩展，但没有足够的内存来实现扩展，或者如果没有足够的内存来为新线程创建初始Java线程栈，则Java Virtual机器抛出一个OutOfMemoryError。

线程栈和栈帧及栈帧内部结构图如下：

1.1.3.1 局部变量表

栈帧包含一个变量数组，称为局部变量表。局部变量表顾名思义就是局部变量的表，局部变量表存放着8大基本类型、对象引用和returnAddress类型。

1.1.3.2 操作数栈

每个栈帧都包含一个后进先出 (LIFO) 栈，称为其操作数栈。当一个方法刚刚开始执行的时候，这个方法的操作数栈是空的，在方法的执行过程中，会有各种字节码指令往操作数栈中写入和提取内容，也就是出栈和入栈操作。操作数栈上的每个条目都可以保存任何Java虚拟机类型的值，操作数栈中的值必须以适合其类型的方式进行操作，例如整数加法的字节码指令iadd。它在执行时，最接近栈顶的两个元素的数据类型必须为int型，不能出现一个long和一个float使用iadd命令相加的情况。
操作数栈本质上是JVM执行引擎的一个工作区，也就是方法在执行时才会对操作数栈进行操作，如果代码不不执行，操作数栈其实就是空的。

1.1.3.3 程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器，控制下一条指令执行什么。由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的,在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）都只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间计数器互不影响， 独立存储， 我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

因为JVM内部有完整的指令与执行的一套流程，所以在运行 Java 方法的时候需要使用程序计数器（记录字节码执行的地址或行号），如果是遇到本地方法（native方法），这个方法不是JVM来具体执行，所以程序计数器不需要记录了，这个是因为在操作系统层面也有一个程序计数器，这个会记录本地代码的执行的地址，所以在执行native方法时，JVM 中程序计数器的值为空(Undefined)。
另外程序计数器也是JVM中唯一不会 OOM(OutOfMemory)的内存区域。

1.1.3.4 返回地址

方法调用完成分为两种方式：方法正常调用完成和方法异常调用完成。

方法正常调用完成：如果直接从Java虚拟机或作为执行显式语句的结果，该调用不会导致抛出异常，则该方法调用正常完成。如果当前方法的调用正常完成，则可能会向调用方法返回一个值。这发生在被调用的方法执行返回指令之一时，选择的返回指令必须适合返回值的类型（如果有）。在这种情况下，当前帧栈用于恢复调用者的状态，包括其局部变量和操作数栈，调用者的程序计数器会适当增加以跳过方法调用指令。然后在调用方法的帧中正常继续执行，并将返回值（如果有）推送到该帧栈的操作数栈中。

方法异常调用完成：如果在方法内执行Java虚拟机指令导致Java虚拟机抛出异常，并且该异常不在方法内处理，则方法调用会突然完成。执行athrow指令 也会导致显式抛出异常，如果当前方法未捕获到异常，则会导致方法调用突然完成。突然完成的方法调用永远不会向其调用者返回值。

方法完成的过程实际上等同于把当前栈帧出栈，因此退出时可能执行的操作有：

• 恢复上层方法的局部变量表和操作数栈
• 把返回值（如果有的话）压入调用者栈帧的操作数栈中
• 调整PC计数器的值以指向方法调用指令后面的一条指令等

栈的优化技术——栈帧之间数据的共享
在一般的模型中，两个不同的栈帧的内存区域是独立的，但是大部分的 JVM 在实现中会进行一些优化，使得两个栈帧出现一部分重叠（主要体现在方法中有参数传递的情况），让下面栈帧的操作数栈和上面栈帧的部分局部变量重叠在一起，这样做不但节约了一部分空间，更加重要的是在进行方法调用时就可以直接公用一部分数据，无需进行额外的参数复制传递了。

1.2 程序在执行时运行时数据区中的内存变化及解析

• 线程栈：执⾏⼀个⽅法就会在线程栈中创建⼀个栈帧。

• 栈帧包含如下四个内容：

  • 局部变量表：存放⽅法中的局部变量。

• 操作数栈：⽤来存放⽅法中要操作的数据。

  • 动态链接：存放⽅法名和⽅法内容的映射关系，通过⽅法名找到⽅法内容。方法的内容是存在堆里的。
  • ⽅法出⼝：记录⽅法执⾏完后调⽤此⽅法的位置。

1.3 创建对象时各个部分存储的位置

类的class文件存放在方法区中，person作为变量，存放在线程栈中，创建出来的对象存放在堆中。