JVM内存结构(运行时数据区)

前言

---

       Java程序的运行是通过Java虚拟机来实现的。通过类加载器将class字节码文件加载进JVM，然后根据预定的规则执行。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。这些内存区域被统一叫做运行时数据区。Java运行时数据区大致可以划分为5个部分。在这里要特别指出，我们现在说的JVM内存划分是概念模型。如下图所示：

JVM运行时数据区分为5种：

• 程序计数器

• 虚拟机栈(java栈)

• 堆

• 方法区

• 本地方法栈

程序计数器

---

       程序计数器是一块较小的内存空间，它可以看成是当前线程所执行的字节码的行号指示器。程序计数器记录线程当前要执行的下一条字节码指令的地址。由于Java是多线程的，所以为了多线程之间的切换与恢复，每一个线程都需要单独的程序计数器，各线程之间互不影响。这类内存区域被称为“线程私有”的内存区域。

       如果线程在执行的是一个Java方法，计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令地址，如果正在执行的是Native方法，计数器值则为空。由于程序计数器只存储一个字节码指令地址，故此内存区域没有规定任何OutOfMemoryError情况。

虚拟机栈

---

     与程序计数器一样，虚拟机栈也是线程私有的，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，每个方法执行的时候都会同时创建一个栈帧（用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息）。

     一个栈帧就代表了一个方法执行的内存模型，虚拟机栈中存储的就是当前执行的所有方法的栈帧（包括正在执行的和等待执行的）。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机中入栈到出栈的过程。我们平时所说的“局部变量存储在栈中”就是指方法中的局部变量存储在代表该方法的栈帧的局部变量表中。而方法的执行正是从局部变量表中获取数据，放至操作数栈上，然后在操作数栈上进行运算，再将运算结果放入局部变量表中，最后将操作数栈顶的数据返回给方法的调用者的过程。

     局部变量表存放了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，它不等同与对象本身，根据不同的虚拟机实现，它可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置)和returnAddress类型(指向一条字节码指令的地址)。

     64为长度的long和double类型的数据会占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实确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

      虚拟机栈可能出现两种异常：由线程请求的栈深度过大超出虚拟机所允许的深度而引起的StackOverflowError异常；以及由虚拟机栈无法提供足够的内存而引起的OutOfMemoryError异常。

堆

---

      Java堆是Java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。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例：所有的对象实例以及数组都要在堆上分配。但Class对象比较特殊，它虽然是对象，但是存放在方法区里。

     Java堆是垃圾收集器（GC）管理的主要区域。现在的收集器基本都采用分代收集算法：新生代和老年代。而对于不同的”代“采用的垃圾回收算法也不一样。一般新生代使用复制算法；老年代使用标记整理算法。对于不同的”代“，一般使用不同的垃圾收集器，新生代垃圾收集器和老年代垃圾收集器配合工作。

    Java堆可以是物理上不连续的内存空间，只要逻辑上连续即可。Java堆可能抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

---

       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。

      所有的字节码被加载之后，字节码中的信息：类信息、类中的方法信息、常量信息、类中的静态变量等都会存放在方法区。正如其名字一样：方法区中存放的就是类和方法的所有信息。此外，如果一个类被加载了，就会在方法区生成一个代表该类的Class对象（唯一一种不在堆上生成的对象实例）该对象将作为程序访问方法区中该类的信息的外部接口。有了该对象的存在，才有了反射的实现。

      在Java7之前，HotSpot虚拟机中将GC分代收集扩展到了方法区，使用永久代来实现了方法区。这个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。但是在之后的HotSpot虚拟机实现中，逐渐开始将方法区从永久代移除。Java7中已经将运行时常量池从永久代移除，在Java 堆（Heap）中开辟了一块区域存放运行时常量池。而在Java8中，已经彻底没有了永久代，将方法区直接放在一个与堆不相连的本地内存区域，这个区域被叫做元空间。

     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。

本地方法栈

---

       本地方法栈与虚拟机栈类似，他们的区别在于：本地方法栈用于执行本地方法（Native方法）；虚拟机栈用于执行普通的Java方法。在HotSpot虚拟机中，就将本地方法栈与虚拟机栈做在了一起。

       本地方法栈可能抛出的异常同虚拟机栈一样。

运行时常量池

---

      运行时常量池是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、借口等描述信息外，还有一项信息是常量池，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存放到方法区的运行时常亮池中。

      运行时常量池相对于Class文件常量池的一个重要特征是动态性，Java语言并不要求常量一定只能在编译期产生，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运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性用的比较多的是String类的intern()方法。

       运行时常量池在JDK1.6及之前版本的JVM中是方法区的一部分，而在HotSpot虚拟机中方法区放在了”永久代(Permanent Generation)”。所以运行时常量池也是在永久代的。

      但是JDK1.7及之后版本的JVM已经将运行时常量池从方法区中移了出来，在Java 堆（Heap）中开辟了一块区域存放运行时常量池。

参考

《深入理解Java虚拟机-JVM高级特性与最佳实践》第二版 周志明著