1、Java运行时数据区域

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
2. Java虚拟机栈
3. 本地方法栈
4. Java堆
5. 方法区
6. 运行时常量池
7. 直接内存
   

示例类

public class Math {
    
    public static final int initData = 666;
    public static User user = new User();

    public int compute() {
        //一个方法对应一块栈帧内存区域
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = (a + b) * 10;
        return c;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Math math = new Math();
        // compute是在常量池中的
        math.compute();
        System.out.println(111);
    }

}

当一个类被编译成class文件后，会通过类加载子系统（C++实现）把字节码转入到运行时数据区中，字节码执行引擎（C++实现）会加载执行程序代码

1.1、程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块很小的内存空间，主要用来记录各个线程执行的字节码的地址，就是通过改变这个计数器的值，来选取下一条需要执行的字节码指令，它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等都是依托程序计数器完成的。也就是说处理器在时间片切换时，为了线程切换后能恢复到（找到）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，各条线程之间互不影响，独立存储，线程私有的内存

白话理解：

• 程序正在运行或马上运行代码内存的位置（行号） ，代码运行时，字节码执行引擎会跟随运行代码行修改计数器的值。
• 线程独有

1.2 Java虚拟机栈

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）也是线程私有的，生命周期与线程相同；

白话理解：

• 栈（Java虚拟机栈）：例如示例中，线程运行主方法，java虚拟机会在线程栈（Java虚拟机栈）内分配一个独立的内存空间，用来存放线程运行过程中局部变量的内存空间
• 线程独有

虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：每个方法在执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表，操作数帧，动态链接，方法出口等信息。即使是递归调用，也是在栈中继续分配栈帧

一个方法的调用到执行结束，就对应着一个栈帧在虚拟机中从入栈到出栈的过程，先进后出，和程序调用过程相符，例如main方法运行时，main方法先入栈，main方法调用compute方法，伴随着compute方法入栈，compute运行结束，compute出栈，main结束，main出栈。

执行javap -c Math.class，对代码进行反汇编将字节码转为指令码

  public int compute();
    Code:
       # 将int类型常量1压入操作数栈，数字0一般指this
       0: iconst_1
       # 将int类型值存入局部变量1
       1: istore_1
       # 将int类型常量2压入栈
       2: iconst_2
       # 将int类型值存入局部变量2
       3: istore_2
       # 从局部变量1中装载int类型值
       4: iload_1
       # 从局部变量2中装载int类型值
       5: iload_2
       # 执行int类型的加法
       6: iadd
       # 将一个8位带符号整数压入栈
       7: bipush        10
       # 执行int类型的乘法,跳过8 是因为，10也会占内存位置
       9: imul 
       # 将int类型值存入局部变量3
      10: istore_3
      # 从局部变量3中装载int类型值
      11: iload_3
      # 从方法中返回int类型的数据 
      12: ireturn

查看compute方法的指令码可知：

• 变量 int a = 1; 的赋值过程
  • 1先压入操作数栈
  • 1出栈赋值给局部变量表中局部变量下标1（或索引）的变量a（0一般指this）

局部变量表

• 局部变量表存放的是编译期可知的各种Java虚拟机基本类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象的引用（reference类型，指的是对象地址的引用或句柄或其他于此对象相关的地址）、returnAddress（指向了一条字节码指令的地址）。
• 这个数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽(Slot)表示，64位的长度（long，double）占用2个变量槽，其余都是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，这个方法需要在栈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面量表的大小(大小指的是变量槽的数量)
• 虚拟机一个变量槽占用的比特（例如32比特，64比特或者更大），是由具体的虚拟机决定的
• 例子中：main方法中math在局部变量表中对应的值是堆中math地址的引用

操作数栈

• 程序在运行过程中，操作数在运算的过程中，做操作的一块临时中转的内存空间。个人理解：如下代码在运算过程中，从局部变量表中分别取出1和2压入操作数栈中，分别出栈1和2 ，求和后（CPU操作），在压入操作数栈，10压入操作数栈，出栈 3和10，得到结果（CPU操作）后再入栈，30出栈，赋值给局部变量表中变量c

  int a = 1;
  int b = 2;
  int c = (a + b) * 10;
  

动态链接

• 程序运行过程中，将符号引用转化成直接引用， 直接引用地址存放到动态链接中
• 例如上面例子中，main方法在运行时，compute方法是不会被加载的，只会先加载静态方法。程序在运行到compute方法时，会解析这个符号 （compute），找到这个符号在内存中的位置，存放到动态链接中

方法出口

• 记录方法运行的位置等信息
• 例如compute方法调用结束后，要在回到main中继续执行System.out.println(111)，所以需要记录执行方法的位置等信息
  
  虚拟机栈中会引用堆中对象的地址

《Java虚拟机规范》中这个内存区域规定了两类异常状况：

• 如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，抛出StackOverflowError
  • 每次方法调用都会有一个栈帧压入虚拟机栈。操作系统给JVM分配的内存是有限的，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。 这里栈深度就是指栈帧的数量
• 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空间会抛出OutOfMemoryError
• HotSpot虚拟机栈容量不支持动态扩展，所以只要线程申请到栈空间就不会出现OOM，如果申请失败则会出现OOM异常

1.3、本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stack）：本地方法栈服务的对象是JVM执行的native方法，而虚拟机栈服务的是JVM执行的java方法。

• 线程独有

• Native Method就是一个java调用非java代码的接口。该方法的实现由非java语言实现，比如C或C++。

  • 例如Object类中
    

1.4、Java堆

Java堆（Java Heap）是虚拟机所管理内存中最大的一块。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，用于存放对象实例。Java堆是垃圾回收器管理的内存区域也称为GC堆（字节码执行引擎会 进行垃圾收集）。

一般new出来的对象都放在堆中，一般存放在Eden区

• 线程共享

Java堆可以处于物理上不连续的内存区域，但在逻辑上应该被视为连续的，但对于大对象（典型的如数组对象），多数虚拟机实现处于简单实现，存储高效的考虑，很可能会要求连续的内存空间


Java虚拟机的堆内存分为新生代、老年代、永久代、Eden、Survivor，在当前的HotSpot中上述提法就有很多需要商榷的地方。Java堆细分的目的只是为了更好地回收内存，或者更快地分配内存

JDK8之后，无永久代，改为元空间(Metaspace)，使用的是直接内存

Java堆既可以被实现成固定大小，也可以是可扩展的，当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过 -Xmx 和 -Xms 设定），如果Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常

1.5、方法区

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，主要是用来存放已被虚拟机加载的类相关信息，包括类信息、运行时常量池、字符串常量池。类信息又包括了类的版本、字段、方法、接口和父类等信息。

• 线程共享

方法区会引用堆中对象的地址

// 静态对象会存在方法区中，而new出来的对象是放在方法区中的，方法区中存的是地址的引用
public static User user = new User();

JDK 8 HotSpot完全放弃了永久代的概念，改用本地内存中实现的元空间（Meta-space）来代替

《Java虚拟机规范》对方法区的约束是非常宽松的，除了和Java堆一样不需要连续的内存和可以选择固定大小或可扩展外，甚至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的确比较少出现，，但并非数据进入了方法区就如永久代的名字一样“永久”存在了。这区域的内存回收目标最主要是针对常量池的回收和对类型的卸载，但是回收效果比较难令人满意，尤其是类型的卸载。

方法区无法满足新的内存分配需求时将会抛出OutOfMemoryError异常

1.6、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，还有一项信息是常量池表（Constant Pool Table）用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，在类加载后存放到方法区运行常量池中，还会把由符号引用翻译出来的直接引用也存储在运行时常量池中

• 字面量：等号右边的八种基本类型的值、字符串值、声明为final的常量的值。

  //a为常量，10为字面量
  final int a = 10; 
  // b 为变量，hello world！为字面量
  string b = "hello world！"; 
  

• 符号引用：可以是任意类型的字面量。只要能无歧义的定位到目标。在编译期间由于暂时不知道类的直接引用，因此先使用符号引用代替。最终还是会转换为直接引用访问目标。符号引用就是某个变量，在编译的时候，无法确定其内存地址。

  String str = "Hello World!"
  // str在编译的时候就会编译为符号引用。
  System.out.println(str);
  

• 直接引用：程序运行时可以定位到引用的东西(类, 对象, 变量或者方法等)的地址

运行时常量池相对于Class文件常量池的另外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，这种特性被开发人员利用比较多的就是String类的intern()方法。

• intren方法：通俗的讲，是将字符串放入常量池中。

  /**
  * 表达式右边是纯字符串常量，则存放在常量池中
  * 表达式右边存在字符串引用，则存放在堆中
  */
  public class test {
      public static void main(String[] args) {
          String s1="aaa";
          String s2="bbb";
          String s3="aaabbb";
          String s4=s1+s2;
          String s5="aaa"+"bbb";
          String s6=new String("aaabbb");
          // false
          System.out.println(s3==s4);
          // true
          System.out.println(s3==s4.intern());
          // true
          System.out.println(s3==s5);
          // false
          System.out.println(s3==s6);
          // true
          System.out.println(s3==s6.intern());
      }
  }
  

  说明：s1,s2,s3,s5均存放在常量池中，s4，s6存放在堆中。

当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常

1.7、直接内存

直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是《Java虚拟机规范》中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁的使用，也可能导致OutOfMemoryError异常

JDK1.4 中新加入的 NIO(New Input/Output) 类，引入了一种基于通道（Channel） 与缓存区（Buffer） 的 I/O 方式，它可以直接使用 Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样就能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在 Java 堆和 Native 堆之间来回复制数据。

显然，本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是，既然是内存，则肯定还是会受到本机总内存(包括物理内存、及SWAP区或者分页文件)的大小及处理器寻址空间的限制。服务器管理员配置虚拟机参数时，一般会根据实际内存设置-Xmx等参数信息，但经常会忽略掉直接内存，使得各个内存区域的总和大于物理内存限制(包括物理 上的和操作系统 级的限制)，从而导致动态扩展时出现OutOfMemoryError异常。

参考《深入理解Java虚拟机》-周志明

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