深入解析Java的运行时数据区

1、深入解析Java的运行时数据区 【摘要】 Java程序运行的过程中，JVM会将其所管理的内存划分成若干个区域，统称为是运行时数据区。其中，一些线程间共享的区域，随着JVM的启动而创建，JVM的退出而销毁；另一些线程私有的区域，则随着线程的开始而创建，线程的结束而销毁。如图所示，运行时数据区由以下几个区域所组成：程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈、方法区、堆。Java程序运行的过程中，JVM会将其所管理的内存划分成若干个区域，统称为是运行时数据区。其中，一些线程间共享的区域，随着JVM的启动而创建，JVM的退出而销毁；另一些线程私有的区域，则随着线程的开始而创建，线程的结束而销毁。如图所示，运行时数据区由以下几个区域所组成：程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈、方法区、堆。运行时数据区根据JVM的运行模型，程序运行前，JVM会将程序编译后的字节码加载到内存中；程序运行时，字节码解析器会读取内存中的字节码，按照顺序将字节码的指令解析成固定的操作。在这过程中，程序计数器（Program Counter Register）保存当前线程正在执行的字节码地址。从字节码运行的原理来看，单线

2、程模型下的程序计数器貌似可有可无，字节码解析器会按照顺序将字节码翻译成固定操作，即使遇到分支跳转，也无碍程序正确运行下去。然而，现实中的程序往往是通过多线程协作来完成一个任务的，CPU会为每个线程分配一定的时间片，一个线程在其时间片耗尽之后会挂起，直到它再次获得时间片后才会重新运行。为了确保程序正确运行，线程必须从挂起的地方重新执行。有了程序计数器，就可以保证在涉及线程上下文切换的情景下，程序依然能够正确无误地运行下去。因此，程序计数器是线程私有的，避免了线程之间的相互影响。JVM会为每个线程都分配一块非常小的内存空间用作程序计数器，这也是唯一一个Java虚拟机规范没有规定OutOfMemoryError的运行时区域。JVM会给每个线程都分配一个私有的内存空间，称为Java虚拟机栈（Java VM Stack）。Java虚拟机栈随着线程的创建而创建，它与传统语言（如C语言）的栈有着类似的作用，JVM只会对其执行两种操作：栈帧（Stack Frame）的入栈和出栈。也就是说，Java虚拟机栈是存储栈帧的后进先出队列（LIFO）。每个方法的执行过程，都会伴随着栈帧的创建、入栈和出栈。栈帧是

3、用来存储局部数据和部分过程结果的数据结构，主要包含局部变量表（Local Variable Table）、操作数栈（Operand Stack）、指向当前方法所属类的运行时常量池的引用（Runtime Constant Pool Reference），如图所示为Java虚拟机栈的模型。Java 虚拟栈模型局部变量表（LVT）局部变量表（LVT） 是一个索引以0开始的字节数组，存储了一个方法的所有入参和局部变量。LVT所存储的类型都是编译期可知的，包括各基础类型（byte、char、short、int、long、float、double、boolean）、对象引用（reference类型）和returnAddress类型（指向一条字节码指令的地址）。LVT有如下几个特点：1、第0个Slot（槽位）固定存储指向方法所属对象的this指针。2、除了long和double占用了连续2个Slot之外，其他类型都只占用了1个Slot。3、LVT按照变量的声明顺序进行存储。考虑以下代码来验证LVT的这些特点：先用javac命令将其编译成class文件：javac-gJvmStackLvt.java#

4、javac编译.java文件，输出.class文件再使用javap命令解析class文件，就可以看到showLvt函数的LVT。从javap的输出结果可以看出，LVT的第0个Slot的名字为this，签名为Lcom/yrunz/jdk/chapter1/JvmStackLvt表示是指向JvmStackLvt类型的this指针，验证了特点1；变量l和d所在Slot的索引与其相邻的变量所在Slot 的索引相差2，表示l和d占用了2个Slot，而其他的变量都只占用了1个Slot，验证了特点2；LVT中变量的存储顺序也是与其声明顺序相同，验证了特点3。操作数栈（OS）操作数栈（OS） 用于在方法运算过程存储其中间的运算结果、方法入参和返回结果，它是一个后进先出（Last-In-First-Out，LIFO）的队列。JVM提供了对OS出栈和入栈的指令，如load指令属于入栈指令、store指令属于出栈指令。考虑以下代码：使用javac命令将其编译成class文件后，用javap解析得到：因为javap的输出结果中并不涉及操作数栈的内容，我们可以根据指令码和LVT来推断出OS的入栈和出栈过程，如图

5、所示。运行时常量池引用（Runtime Constant Pool Reference）每个栈帧内都包含一个指向当前方法所属类的运行时常量池引用，也称为符号引用（Symbolic Reference），用于在类加载阶段对代码进行动态链接。动态链接所做的就是根据符号引用所表示名字，转换成对方法或变量的实际引用，从而实现运行时绑定（Late Binding）。考虑以下代码：使用javac命令将其编译成class文件后，用javap解析得到：可以看出，f2()的指令码中，有两处使用了符号引用。getfield指令引用的符号为#2，最终解析成com/yrunz/jdk/chapter1/JvmStackCpr.a:I；invokevirtual指令引用的符号为#3，最终解析成com/yrunz/jdk/chapter1/JvmStackCpr.f1:()V。Java虚拟机规范规定，Java虚拟机栈可以被实现成固定大小，也可以实现成可动态地扩展和收缩。JVM通常会提供设定Java虚拟机栈容量大小或范围的参数，比如-Xss参数用于设定栈的大小。当线程请求分配的栈空间超过JVM指定的最大容量时，程序

6、就会抛出StackOverflowError异常；而对于栈空间可动态扩展的情形，当尝试扩展却无法分配到足够内存时，程序就会抛出OutOfMemoryError异常。本地方法栈（Native Method Stack） 的作用与Java虚拟机栈类似，区别在于后者是为Java方法服务，而本地方法栈则为native方法服务。Java虚拟机规范没有对native方法机制及其实现语言做强制规定，如果JVM不提供native方法，则无需实现本地方法栈。本地方法栈既可以被实现成固定大小，也可以实现成可动态地扩展和收缩，因此在特定的场景下也会抛出StackOverflowError异常和OutOfMemoryError异常。方法区（Method Area）是线程间共享的区域，在JVM启动时创建，用于存储类的元信息、静态变量、常量、普通方法的字节码等内容。方法区可以被实现成大小固定或可动态扩展和收缩，如果内存空间不满足内存分配要求就会抛出OutOfMemoryError异常。对于HotSpot虚拟机而言，在JDK 1.8以前，方法区被实现为“永久代”（Permanent Generation），属于堆的

7、逻辑组成部分，并提供了两个参数调节其大小，-XX:PermSize用于设定初始容量，-XX:MaxPermSize用于设定最大容量。JDK 1.8之后，HotSpot不再有“永久代”的概念，类的元信息数据迁移到被称为“元空间”（Metaspace）的新区域，而静态变量、常量等则存储于堆中。元空间没有使用堆内存，而是分配在本地内存中，默认情况下其容量只受可用的本地内存大小限制。类似地，HotShot虚拟机也提供了两个参数来调节其大小，-XX:MetaspaceSize用于设定初始容量，-XX:MaxMetaspaceSize用于设定最大容量。运行时常量池（Runtime Constant Pool）运行时常量池（Runtime Constant Pool）属于方法区的一部分，class文件被加载到内存后，其中的常量池信息（包括符号引用和编译期可知的字面值常量）就被存储于此。 这些信息可通过javap解析class文件查看，考虑如下代码：使用javac命令将其编译成class文件后，用javap解析得到：由结果可知，class常量池信息中包含了MethodAreaRtcp类所有的符号引用和

8、编译期可知的字面值常量。什么样的字面值才算是字面值常量？1、字符串字面值。编译器在编译 java 代码时，会将字符串字面值添加到常量池中，比如例子中的hello和 world在常量池中的位置分别为#67和#83。2、用final修饰的基础类型成员变量的字面值。注意，必须是用final修饰的，而且必须是类的成员变量的字面值才会被编译器添加到常量池中，如i2的值2在常量池中的位置为#32。i5虽然是用final修饰的基础类型成员变量，但是它的值5是运行时函数调用的结果，因此并未出现在常量池中；i7虽然是被final修饰，但是它本身是一个局部变量，因此它的值7并未出现在常量池中。另外，short、byte和char类型的字面值常量会被编译器转换为int类型后存入常量池中，如例子中s1、b1和c1的字面值常量对应在常量池中的位置分别为#41、#44和#47，它们的类型都是Integer。3、由字面值常量相加得到的结果。因为编译器做了优化，多个字面值常量相加后得到的结果，也会被添加到常量池中。如例子中i6和str3，在常量池中对应的位置为#38和#85。程序执行阶段也会有新的常量加入运行时常量池

9、中。在Java程序执行阶段，也会有新的常量加入到运行时常量池中，这部分并不属于class常量池，因此我们无法从javap的结果中找到这些常量。1、String.intern()方法的返回值会加入运行时常量池中。String.intern()方法调用时，如果常量池中已经存在与其相等的String对象（使用equals比较时返回true），则返回该字符串；否则将该字符串添加到常量池中，然后将其返回。如下例子验证了这一特点：2、基础类型的包装类也用到了常量池技术。Java的部分基础类型的包装类（Character、Byte、Short、Integer、Long、Boolean）也用到了常量池技术，当使用数值字面值给它们赋值时，它们就会被存储到运行时常量池中。此外，位于运行时常量池中的包装类相加得到的结果，也会被存储在常量池中。值得注意的是，只有在 -127, 127 的范围内，包装类才会使用到常量池技术，超过该范围的还是会在堆中存储。以下例子验证了这些特点：堆（Heap）是运行时数据区中最大的一块区域，绝大部分的对象（包括类实例和数组）都在上面存储。堆是所有线程共享的，随着JVM的启动而创建。我们通过new创建出来的对象都分配于此，而且无需主动释放对象内存，统一由垃圾收集器（Garbage Collector，GC）来进行管理和销毁 这也是Java跟C+相比区别最大的特点之一。当堆中没有足够的内存来创建对象时，就会抛出OutOfMemoryError异常。堆的分代管理JVM对堆进行了分代管理，分成新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation），其中新生代中又分为Eden Space、From Survivor Space、To Survivor Space三个区域，如图所示。JVM将堆划分成这么多的区域，主要是为了方便垃圾收集器对对象进行管理，现代的垃圾收集器一般都采用了分代收集

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