Java虚拟机学习之运行时数据区域

内容选择《深入理解java虚拟机》周志明著一书，尊重并感谢原著作者。

运行时数据区域

java虚拟机在运行java程序时，会把其所管理的内存分成若干个数据区域，它们都拥有各自的创建时间、销毁时间以及用途。分为如下两种情况：

• 随着虚拟机进程的启动而存在；
• 依赖用户线程的启动和结束而建立以及销毁；

根据《Java虚拟机规范（JavaSE 7版）》的规定，java虚拟机所管理的内存所包含的数据区域如下图所示

程序计数器

程序计数器是一块比较小的内存空间（在计算java虚拟机内存大小可忽略该内存空间的大小），也可以理解为它是当前线程所执行的行号指示器。字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，需要依赖计数器完成的基础功能：循环、跳转、分支、异常处理、线程恢复等。
在java虚拟机的多线程中，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，并且各条线程之间计数器互不影响，独立存储，这样的内存区域被称为“线程私有”的内存。

• 线程执行ava方法时，计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；
• 执行Native(本地)方法时，计数器的值则为空（即未定义），该内存区域是唯一一个在java虚拟机规范中未规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

Java虚拟机栈

java虚拟机栈也是线程私有的，并且它的生命周期和线程的生命周期相同。它描述的是java方法执行的内存模型：每个方法执行的同时会创建一个用于存储局部变量表、动态链接、操作数栈、方法出口等信息的栈帧。每个方法从开始调用到执行完成的过程与栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程相对应。
在java虚拟机规范中，对java虚拟机栈这块数据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，那么将抛出StackOverflowError异常；
- 如果虚拟机可以动态扩展（目前大部分java虚拟机都可动态扩展），但扩展时无法申请到足够的内存空间，便会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈所发挥的作用与前面讲到的虚拟机栈非常相似，二者的区别是：

• java虚拟机栈为虚拟机执行java方法（也就是字节码）服务；
• 本地方法栈为虚拟机使用的Native服务；

由于虚拟机规范中并没有强制规定本地方法栈使用方法、语言以及数据结构，因而可以由具体的虚拟机去自由去实现它，例如我们常用的Sun HotSpot虚拟机就将本地方法栈和虚拟机栈合二为一。本地方法栈与虚拟机栈一样，也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

Java堆

Java堆是在虚拟机启动时创建，并用于存放对象实例的。几乎所有的对象实例以及数组都在java堆中分配内存（JIT编译器的发展逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术的出现使得不是所有的都在堆上分配），因而对于大多数应用来说，java堆是java虚拟机所管理的内存中最大的一块内存区域。这块区域（java堆）是被所有线程共享的。
Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因而有时Java堆被称为“GC堆”(Collected Heap)。为了更好地回收内存（分配内存），java堆可采用如下两种方法划分：

• 从内存回收角度来看，目前采用分代收集算法，可分为：新生代与老年代。
• 从内存分配角度来看，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 Allcation Buffer）TLAB.

无论如何划分，都与存放的内容无关，无论哪个区域，存储的都仍然是对象实例以及数组。
根据java虚拟机规范，java堆可以处于物理上不连续的内存空间，只要实现逻辑上连续即可。如果在堆中没有内存去完成实例的分配，并且堆也无法被扩展，那么将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

方法区与java堆一样都是各个线程共享的内存区域。方法区是用于存放已被虚拟机加载的类信息、静态变量、常量、即时编译器编译后的代码等数据。在java虚拟机规范中，方法区被描述为堆的一个逻辑部分，为了使它和java堆区分开，因而方法区有个别名将Non-Heap(非堆)。
java虚拟机规范对方法区的限制非常宽松，除了和java堆一样不需要连续的物理内存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。方法区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。根据规定，当方法区无法满足内存分配时，将抛出OutOfMemoryError异常。

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、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，它是用于存放编译期生成的各种字面量、符号引用以及翻译出来的直接引用。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。
运行常量池不一定只有在编译器才能产生，也可能在运行期间将新的常量放入常量池中。开发人员可以使用String类的intern()方法，将新的常量在运行期间放入常量池中。
既然是运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。