JVM数据区及功能

JVM运行数据区

1. 程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，他可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器值来指示下一条需要执行的字节码指令。分支，循环，跳转，异常处理，线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成，是唯一在虚拟机规范中没有规定内存溢出（OutOfMemoryError）情况的区域。

为了每个线程切换后都能恢复到正确的执行位置，所以每个线程都需要一个独立的程序计数器，各条线程拥有的程序计数器相互独立存储，互不影响，我们称这部分内存为“线程私有”内存。

若线程在执行一个Java方法，则计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址。

若线程在执行一个本地（Native）方法，这个计数器则应为空（Undefined）。

2. Java（虚拟机）栈

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，JVM都会同步创建一个栈帧（Stack Frame）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Java虚拟机栈中从入栈到出栈的一个过程。

局部变量表存放了编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（Reference类型，不是一个对象本身，可能是一个指向该对象初始地址的指针，也可能是指向与此对象相关位置的指针）、returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）。

Java虚拟机栈有两类异常情况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存时，会抛出OurOfMemoryError异常。

3. 本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是相似的，区别知识Java虚拟机栈为了Java方法而服务，而本地方法栈为JVM使用到的本地方法服务。

4. Java堆

对于Java应用程序来说，Java堆（Java Heap）是虚拟机所管理的内存中最大的一块，Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此区域唯一目的就是存放对象实例，为对象实例分配内存。

Java堆是垃圾收集器（GC）管理的内存区域，GC相关理论会在之后的文章中介绍。

从内存回收的角度看，Java堆基于分代收集理论还可以分为：新生代，老年代，新生代可以细分为Eden空间，From/To Survivor空间（8:1:1）等等。

根据《Java虚拟机规范》的规定，Java堆在物理上可以处于不连续的空间，但是在逻辑上Java堆应该处于连续的。Java堆既可以被视为固定的，也可以被视为可扩展的，先大多数的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过参数-Xmx和-Xms设定）。如果在Java堆中没有内存可以完成实例分配，而Java堆无法再扩展时，JVM会抛出OurOfMemoryError异常。

老年代空间大小 = 堆空间大小 - 新生代最大空间大小

5. 方法区

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程所共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、及时编译器编译后的代码缓存等等。

Java虚拟机规范对这个区域的限制非常宽松, 出了和 Java堆一样不需要连续的内存空间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, 这个区域的内存回收主要目标是针对常量池的回收和对类型的卸载.

永久代是 HotSpot虚拟机特有的概念, 在方法区的一种实现, 在 JDK8 中被完全废弃, 改用在本地内存中实现的元空间代替.

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.

2021年11月17日

Reference

[1] 《深入理解Java虚拟机》

[2] 老兵程序员，yuque，url: https://www.yuque.com/yingwenerjie/obg6ll/iqz42h