JVM运行时数据区域

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。这些区域有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而一直存在，有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规范》的规定，Java虚拟机所管理的内存。将会包括以下几个运行时数据区域：

JDK 1.8 同 JDK 1.7 比，最大的差别就是：在JDK 1．8 中加入了元数据区的概念，将原来保存在方法区中的运行时常量池和类常量池都包括其中。元数据区取代了永久代。

元空间的本质和永久代类似，都是对 JVM 规范中方法区的实现。不过元空间与永久代之间最大的区别在于：元数据空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。如下图的JDK 1.8所示：

JDK 1.6、JDK 1.7、JDK 1.8 的内存划分都会有所不同，如下图：

1.程序计数器（PC 寄存器）

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在Java虚拟机的概念模型里[1]，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，它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换、分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，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，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

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；如果正在执行的是本地（Native）方法，这个计数器值则应为空（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。

1.1 程序计数器的定义

程序计数器是一块较小的内存空间，是当前线程正在执行的那条字节码指令的地址。若当前线程正在执行的是一个本地方法，那么此时程序计数器为Undefined。

1.2 程序计数器的作用

  • 字节码解释器通过改变这个程序计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，从而实现代码的流程控制。
  • 在多线程情况下，程序计数器记录的是当前线程正在执行的虚拟机字节码指令的地址，从而当线程切换回来时能恢复到正确的执行位置。

2.Java 虚拟机栈（Java 栈）

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，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、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。

每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

在《Java虚拟机规范》中，对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，将抛出StackOverflowError异常；如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展[2]，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。

1.1 压栈出栈过程

当方法运行过程中需要创建局部变量时，就将局部变量的值存入栈帧中的局部变量表中。

Java 虚拟机栈的栈顶的栈帧是当前正在执行的活动栈，也就是当前正在执行的方法，PC 寄存器也会指向这个地址。只有这个活动的栈帧的本地变量可以被操作数栈使用，当在这个栈帧中调用另一个方法，与之对应的栈帧又会被创建，新创建的栈帧压入栈顶，变为当前的活动栈帧。

方法结束后，当前栈帧被移出，栈帧的返回值变成新的活动栈帧中操作数栈的一个操作数。如果没有返回值，那么新的活动栈帧中操作数栈的操作数没有变化。

1.2 局部变量表

局部变量表存放了编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它并不等同于对象本身，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（指向了一条字节码指令的地址）。

这些数据类型在局部变量表中的存储空间以局部变量槽（Slot）来表示，

虚拟机通过索引定位的方法查找相应的局部变量，索引的范围是从0~局部变量表最大容量。其中64位长度的long和double类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，

在Java程序编译为Class文件时,就在方法的Code属性中的max_locals数据项中确定了该方法所需分配的局部变量表的最大容量。(最大Slot数量)

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变量表的大小。请读者注意，这里说的“大小”是指变量槽的数量，

虚拟机真正使用多大的内存空间（譬如按照1个变量槽占用32个比特、64个比特，或者更多）来实现一个变量槽，这是完全由具体的虚拟机实现自行决定的事情。

对于 slot 的理解：

  • JVM 虚拟机会为局部变量表中的每个 slot 都分配一个访问索引，通过这个索引即可成功访问到局部变量表中指定的局部变量值。
  • 如果当前帧是由构造方法或者实例方法创建的，那么该对象引用 this，会存放在 index 为 0 的 slot 处，其余的参数表顺序继续排列。
  • 栈帧中的局部变量表中的槽位是可以重复的，如果一个局部变量过了其作用域，那么其作用域之后申明的新的局部变量就有可能会复用过期局部变量的槽位，从而达到节省资源的目的。

在栈帧中，与性能调优关系最密切的部分，就是局部变量表，方法执行时，虚拟机使用局部变量表完成方法的传递局部变量表中的变量也是重要的垃圾回收根节点，只要被局部变量表中直接或间接引用的对象都不会被回收。

1.3 操作数栈

操作数栈(Operand Stack)也常称为操作栈，它是一个后入先出栈(LIFO)。同局部变量表一样，操作数栈的最大深度也在编译的时候写入到方法的Code属性的max_stacks数据项中。

操作数栈的每一个元素可以是任意Java数据类型，32位的数据类型占一个栈容量，64位的数据类型占2个栈容量,且在方法执行的任意时刻，操作数栈的深度都不会超过max_stacks中设置的最大值。

当一个方法刚刚开始执行时，其操作数栈是空的，随着方法执行和字节码指令的执行，会从局部变量表或对象实例的字段中复制常量或变量写入到操作数栈，再随着计算的进行将栈中元素出栈到局部变量表或者返回给方法调用者，也就是出栈/入栈操作。一个完整的方法执行期间往往包含多个这样出栈/入栈的过程

  • 操作数栈，主要用于保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间。

  • 操作数栈就是JVM执行引擎的一个工作区，当一个方法刚开始执行的时候，一个新的栈帧也会随之被创建出来，这时方法的操作数栈是空的（这个时候数组是有长度的，只是操作数栈为空）

  • 每一个操作数栈都会拥有一个明确的栈深度用于存储数值，其所需的最大深度在编译期就定义好了，保存在方法的Code属性中，为maxstack的值。

  • 栈中的任何一个元素都是可以任意的Java数据类型。

    • 32bit的类型占用一个栈单位深度
    • 64bit的类型占用两个栈单位深度

  • 操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问的，而是只能通过标准的入栈和出栈操作来完成一次数据访问。

  • 如果被调用的方法带有返回值的话，其返回值将会被压入当前栈帧的操作数栈中，并更新PC寄存器中下一条需要执行的字节码指令。

  • 操作数栈中元素的数据类型必须与字节码指令的序列严格匹配，这由编译器在编译器期间进行验证，同时在类加载过程中的类检验阶段的数据流分析阶段要再次验证。

另外，我们说Java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈指的就是操作数栈。

1.4 动态链接

  • 静态链接：当一个字节码文件被装载进 JVM 内部时，如果被调用的目标方法在编译期可知，且运行时期间保持不变，这种情况下降调用方的符号引用转为直接引用的过程称为静态链接。
  • 动态链接：如果被调用的方法无法在编译期被确定下来，只能在运行期将调用的方法的符号引用转为直接引用，这种引用转换过程具备动态性，因此被称为动态链接

在《Java虚拟机规范》中，对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，将抛出StackOverflowError异常；

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会抛出OutOfMemoryError异常。

1.5 方法返回地址

当一个方法开始执行后，只有两种方式可以退出这个方法:

  • 执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令:传递给上层的方法调用者，是否有返回值和返回值类型将根据遇到何种方法来返回指令决定，这种退出的方法称为正常完成出口。
  • 方法执行过程中遇到异常： 无论是java虚拟机内部产生的异常还是代码中thtrow出的异常，只要在本方法的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器，就会导致方法退出，这种退出的方式称为异常完成出口，一个方法若使用该方式退出，是不会给上层调用者任何返回值的。无论使用那种方式退出方法，都要返回到方法被调用的位置，程序才能继续执行。方法返回时可能会在栈帧中保存一些信息，用来恢复上层方法的执行状态。一般方法正常退出的时候，调用者的pc计数器的值可以作为返回地址，帧栈中很有可能会保存这个计数器的值作为返回地址。方法退出的过程就是栈帧在虚拟机栈上的出栈过程，因此退出时的操作可能有：恢复上层方法的局部变量表和操作数栈，把返回值压入调用者的操作数栈每条整pc计数器的值指向调用该方法的后一条指令。

3.本地方法栈（C 栈）

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。

由于很多 Native 方法都是用 C 语言实现的，所以它通常又叫 C 栈。它与 Java 虚拟机栈实现的功能类似，只不过本地方法栈是描述本地方法运行过程的内存模型。

3.1 栈帧变化过程

本地方法被执行时，在本地方法栈也会创建一块栈帧，用于存放该方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息等。

方法执行结束后，相应的栈帧也会出栈，并释放内存空间。也会抛出 StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 异常。

如果 Java 虚拟机本身不支持 Native 方法，或是本身不依赖于传统栈，那么可以不提供本地方法栈。如果支持本地方法栈，那么这个栈一般会在线程创建的时候按线程分配。

4.Java堆

Java堆（Java Heap）是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，Java世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的内存区域，因此一些资料中它也被称作“GC堆”,Java堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过参数-Xmx和-Xms设定）。如果在Java堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。

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作者
Yang Xin
发布于
2022年10月15日
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