[基要稳]深入理解Java虚拟机随笔之运行时数据区域

运行时数据区域

Java虚拟机运行时数据区

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。
1. 程序计数器（Program Counter Register)------- 线程私有 
2. Java虚拟机栈（JVM Stack）------------------------ 线程私有
3. 本地方法栈（Native Method Stack）------------ 线城私有
4. 堆（Heap）-------------------------------------------- 线程共享
5. 方法区（Method Area）---------------------------- 线程共享

- 1 程序计数器（Program Counter Register)

程序计数器是一块较小的内存空间，可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里（仅是概念模型，各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式实现），字节码解释器工作时就是通过该案这个计数器的值来选择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一排这个计数器完成。
Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式实现，在任何一个时刻，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，这类的内存区域被称为“线程私有”内存。
如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址路过正在执行的是Native方法，这个计数器值则为空（Undefined）。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

- 2 Java虚拟机栈（ Java Virtual Machine Stacks）

Java虚拟机栈是线程私有的,生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用到执行完成的过程，都对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
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局部变量表:存放编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用（reference类型，它不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是一个指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置)和returnAddress类型(指向了一条字节码指令的地址)。其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间(Slot),其余的数据类型只占用1个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，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，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverfolwError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展(当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈)，如果扩展时无法申请到足够的内存，就会抛出OutOfMemoryError异常。

- 3 本地方法栈（Native Method Stack)

本地方法栈是线程私有的,生命周期与线程相同。本地方法栈（Native Method Stack)与虚拟机所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(就是字节码)服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。在虚拟机规范中对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。甚至有的虚拟机 (例如Sun HotSpot)直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机一样，本地方法栈区域也会抛出StackOverfolwError和OutOfMemoryError异常。

- 4 Java堆（Java Heap）

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，该内存区域唯一的目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。在Java虚拟机规范中的描述是：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着JIT编译期的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化发生，所有的对象实例都分配在堆上变得不是那么“绝对”了。Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。

Java堆事垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称为“GC堆”(Garbage Collected Heap)。
从内存回收的角度看：由于现在收集器基本采用分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。
从内存分配的角度看：线程共享的Java堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer，TLAB)。
无论如何划分，都与存放内容无关，无论哪个区域，存储的都是对象实例，进一步划分的目的是更好的回收内存，或者更快的分配内存。

根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。如果堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

- 5 方法区（Method Area）

方法区与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它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。
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。

运行时常量池：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，还有一项信息室常量池，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用，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。运行时常量池相对于Class文件常量池的一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有在编译期才能产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区的运行时常量池，运行期间也可能将心的常量放入池中，这种特性利用的比较多的是String类的intern()方法。
运行时常量池是方法区的一部分，也受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时就会抛出OutOfMemoryError异常。