Java运行时数据区域学习

可以认为，程序由数据和方法构成。数据一般由变量来存储，而方法是用来操纵数据的。为了重用代码，封装等许多好处，类用来包装变量和方法。
Java源文件.java经过编译之后，得到.class字节码文件，然后，虚拟机从加载字节码文件进入内存，执行程序。在执行程序的过程中，肯定会产生很多数据，比如，创建对象，就需要为对象分配其变量的存储区域；方法执行就需要创建一个栈帧，这些数据存储在一块区域中，叫做运行时数据区。运行时数据区是我们接下来重点关注的。

1 运行时数据区域

Java相比于C++，有虚拟机提供的内存分配和垃圾收集技术带来的方便，不必自己亲自去写delete/free去手动释放内存，清除垃圾。但是，出现内存分配相关的问题的时候，就需要自己查看内存分配和垃圾收集相关的信息。而且，了解内存分配的信息，能够让我们的程序更加符合内存分配的要求。

Java虚拟机运行时数据区如下图所示：

程序计数器（Program Counter Register, PC）是当前字节码执行到哪一行的指示器。因为，程序执行时，可能存在很多循环、跳转和函数调用等，在执行这些代码之后，都需要恢复到原来执行的地方（下一行），故需要用PC来记录。对于多线程，每个线程拥有一个PC。
虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks， VM Stacks），可以说，这个区域对应于类中的方法，每个方法在执行时都会在VM Stack中创建一个栈帧（Stack Frame），用于存储方法中的局部变量（表）、操作数栈[1]、方法返回地址和对当前方法所属类在常量池的引用等信息。
本地方法栈（Native Method Stack），与虚拟机栈发挥的作用相似，但是，本地方法栈为虚拟机使用的Native方法服务。所谓Native方法，大致是指由其他语言实现的方法，比如C，而不是Java。
以上三块内存区域，均由线程私有。

Java堆（Java Heap），存放对象实例，几乎所有的对象实例都存放在这里。当你用new关键字创建新对象时，都会在堆上划分一块区域。对于HotSpot虚拟机，对象在内存中的布局分为3部分：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。
对象头包括两部分信息，第一部分是对象自身的运行时数据，如HashCode，GC年龄，锁状态标志等，第二部分是类型指针，指向对象的类元数据，表明这个对象属于哪个类的实例。类元数据存在于方法区。
实例数据存储对象真正的数据，即程序代码中定义的各种类型的字段。Java堆只是存储了对象的字段数据，没有存储对象的方法，方法执行时在虚拟机栈上进行。
对齐填充，是因为HotSpot虚拟机要求对象的大小必须是8字节的整数倍。当对象实例数据部分没有对齐时，会填充一些对结果没有影响的数据。
可见，Java堆是最大的一块内存分配区域，因而，也是垃圾回收（GC）重点关注的区域。

方法区（Method Area），用于存储已被虚拟机加载的类信息[2]、常量、静态变量、静态方法、构造器和即时编译器（JIT）编译后的代码等。运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，存放编译期生成的各种字面量和符号引用，例如，对方法的符号引用。
方法区和Java堆均为所有线程共享的区域。

2 例子分析

如果下面简单的Java代码运行时，则各部分存储信息如图所示。
当主函数中创建实例对象时，会在常量池和Java堆中新建数据。sum方法调用时，将在虚拟机栈中执行入栈/出栈的过程。

参考：

《深入理解Java虚拟机》
《Java Virtual Machine Specification》

文中部分名词解释：

[1]操作数栈，也称为操作栈，是一个后进先出（First In Last Out，LIFO）栈，在执行方法的过程中，会有字节码指令往操作数栈中写入和提取数据。比如，执行指令 “1 + 1”，对操作数栈的操作会是

iconst_1iconst_1iaddistore_0

两条iconst_1指令把两个常量1压入栈，iadd指令将栈顶的两个值出栈、相加，把结果压入栈顶，istore_0指令将栈顶的值（此时为2）保存到局部变量表中。
这是一种基于栈的指令集。学过计算机组成原理的同学，肯定会对x86或者MIPS指令集有印象，它们都是直接对寄存器进行操作。
[2]类的生命周期，如下图所示

加载class“文件”，这里不一定是位于磁盘的文件，也可能从网络获取，从ZIP包读取，只要是二进制字节流就可以。

如有疑问，还请指出，共同进步，你好我好大家好。